Учебник Физика 8 класс Пурышева Важеевская

Н. с. Пурышева, Н. Е. Важеевская ФИЗИКА л'орофа t Электронное приложение ВЕРТИКАЛЬ , www.drofa.ru Н. с. Пурышева, Н. Е. Важеевская i ФИЗИКА Учебник для общеобразовательных учреждений Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации ВЕРТИКАЛЬ Москва ■**'орофа 2013 УДК 373.167.1:53 ББК 22.3я72 П88 Учебник получил положительное заключение Российской академии наук (№ 10106-5215/17 от 29,09.2011) и Российской академии образования (№ 01-5/7д-456 от 24.10.2011) Пурышева, Н. С. П88 Физика. 8 кл.: учеб, для общеобразоват. учреждений / Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская. — М. : Дрофа, 2013. — 287, [1] с. : ил. ISBN 978-5-358-09872-5 Переработанный в соответствии с требованиями нового Федерального государственного образовательного стандарта учебник написан по авторской программе и является продолжением курса Н. С. Пурышевой, Н. Е. Важеевской «Физика. 7класс». Методический аппарат учебника составляют вопросы для самопроверки, система заданий, включающих качественные, графические, вычислительные и экспериментальные задачи и лабораторные работы. В учебнике предусмотрена уровневая дифференциация: материал, который изучается учащимися, проявляющими интерес к физике, помечен звездочкой. Учебник одобрен РАО и РАН и рекомендован Министерством образования и науки Российской Федерации. Включен в Федеральный перечень учебников в составе завершенной линии. УДК 373.167.1:53 ________________________________________________________________ББК 22.3я72 Учебное издание Пурышева Наталия Сергеевна, Важеевская Наталия Евгеньевна ФИЗИКА. 8 класс Учебник для общеобразовательных учреждений Зав. редакцией Е, Н. Тихонова. Ответственный редактор И. Г. Власова Оформление О. В. Белово^ова. Художник Н. А. Николаева Художественный редактор М. В. Мандрыкина. Технический редактор И. В. Грибкова Компьютерная верстка Н. В. Полякова. Корректор Г. И. Мосякина в соответствии с Федеральным законо.м от 29.12.2010 г. № 436-ФЗ знак информационной продукции на данное издание не ставится Сертификат соответствия № РОСС RU. АЕ51. Н 16238. Подписано к печати 29.10.12. Формат 70 х 90 '/le- Бумага офсетная. Гарнитура «Школьная». Печать офсетная. Уел. печ. л. 21,06. Тираж 3000 экз. Заказ № 1512. ООО «Дрофа». 127018, Москва, Сущевский вал, 49. Предложения и замечания по содержанию н оформлению книги просим направ.тять в редакцию общего образования издательства «Дрофа»: 127018, Москва, а/я 79. Тел.: (495) 795-05-41. E-mail: [email protected] По вопросам приобретения продукции издательства «Дрофа» обращаться по адресу: 127018, Москва, Сущевский вал, 49. Тел.: (495) 795-05-50, 795-05-51. Факс: (495) 795-05-52. Сайт ООО «Дрофа»: www.drofa.ru Электронная почта: [email protected] Тел.: 8-800-200-05-50 (звонок по России бесплатный) Отпечатано в ОАО «Можайский полиграфический комбинат». 143200, г Можайск, ул Мира, 93. WWW oaornpk.ru. www оаомлк.рф тел . (495) 745-84-28, (49638) 20-685 ISBN 978-5-358-09872-5 'ООО «Дрофа», 2013 Первоначальные сведения о строении вещества В курсе физики 7 класса вы изучали механические, звуковые и световые явления. Для их объяснения, как правило, не нужно было использовать знания о строении вещества. Так, изучая движение тела, вы рассматривали изменение его положения как целостного объекта. Световые явления объясняли на основе законов, относящихся к поведению светового пучка на границе раздела двух сред, не анализируя взаимодействия света с веществом. В то же время существует множество явлений природы, которые можно объяснить и понять, лишь зная строение вещества. С одним из таких явлений вы уже встречались — это образование механических волн. Чтобы его объяснить, мы представляли, что вещество, в котором распространяется волна, состоит из взаимодействующих между собой частиц. Знания о строении вещества необходимы для объяснения процессов нагревания и охлаждения тел, превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое и газообразное, для объяснения свойств тел в различных агрегатных состояниях. § 1. Развитие взглядов на строение вещества / Что вам известно о строении вещества? Вопрос о том, какое строение имеют вещества, занимал людей ещё в древности. Так, в V в. до н. э. древнегреческий мыслитель Демокрит высказал мысль о том, что вещество состоит из мель- чайших частиц, невидимых глазом. Он считал, что существует предел деления вещества. Эту последнюю неделимую частичку, сохраняющую свойства вещества, он назвал атомом. Демокрит также полагал, что атомы непрерывно движутся и что вещества различаются числом атомов, их размерами, формой, порядком расположения. Другой древнегреческий мыслитель — Эпикур — развил идеи Демокрита. Он ввёл представления о том, что атомы движутся беспорядочно и время от времени сталкиваются друг с другом. Взгляды Демокрита и Эпикура изложены в поэме «О природе вещей», написанной римским философом и поэтом Лукрецием Киром. Вот строки из неё: Выслушай то, что скажу я, и ты, несомненно, признаешь. Что существуют тела, которых мы видеть не можем... ...Стало быть, ветры — тела, но только незримые нами. ...Далее запахи мы обоняем различного рода. Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают... И наконец, на морском берегу, разбивающем волны. Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет; Видеть, однако, нельзя, как влага на нём оседает. Как и не видно того, как она исчезает от зноя. Значит, дробится вода на такие мельчайшие части. Что недоступны они совершенно для нашего глаза. И далее: Нам очевидно, что вещь от стирания становится меньше. Но отделение тел, от неё каждый миг уходящих. Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво. Догадка древних мыслителей не сразу превратилась в научную идею. У неё было много противников: древнегреческий учёный Аристотель, в частности, считал, что тело можно делить до бесконечности. Справедливость той или иной гипотезы мог подтвердить только опыт; осуществить же его в то время было невозможно. Поэтому идеи Демокрита и Эпикура были на какое-то время забыты. К ним вернулись в эпоху Возрождения. В XVII—XVIII вв. были изучены свойства газов, а затем в XIX в. построена теория строения вещества, находящегося в газообразном состоянии. Большой вклад в развитие теории строения вещества внёс русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов (1711 —1765), который считал, что вещество состоит из частиц, и, используя эти представления, сумел объяснить тажие явления, как испарение, теплопроводность и др. в настоящее время уже ни у кого не вызывает сомнений, что вещество состоит из мельчайших частиц (молекул и атомов), которые непрерывно движутся. Теория строения вещества получила экспериментальное подтверждение. Удалось даже увидеть крупные молекулы с помощью специальных микроскопов. Рассмотрим положения, лежащие в основе учения о строении вещества, и применим их к объяснению свойств газов, жидкостей и твёрдых тел. Вопросы для самопроверки 1. Какие представления о строении вещества имели древнегреческие мыслители Демокрит и Эпикур? 2. Какие представления о строении вещества отражены в поэме Лукреция Кара «О природе вещей»? 3. Почему представления древнегреческих учёных о строении вещества долгое время оставались гипотезой и не могли превратиться в теорию? § 2. Сплошные ли тела? / Что называют физическим телом; веществом? / Какова последовательность действий учёного при изучении явлений природы? 1. Посмотрите на окружающие вас тела. Все они кажутся нам сплошными, монолитными. Твёрдые тела имеют определённую форму, жидкость из крана выливается непрерывной струёй. С другой стороны, твёрдое тело, например ластик, можно сжать, изменив его форму. Жидкость можно перелить из банки в стакан, она тоже изменит форму. Можно сжать воздух в воздушном шаре или в насосе. Эти и другие наблюдения позволяют сделать два предположения (гипотезы): 1) тела не сплошные, они состоят из маленьких частиц, которые нельзя увидеть невооружённым глазом; 2) между частицами существуют промежутки. Проделаем опыты, подтверждающие эти предположения. 2. Возьмём кусок мела и ударим по нему молотком. Мы увидим, что кусок раскололся на несколько мелких кусочков. Возьмём один из них и ударим молотком по нему. Он тоже раздробится. Повторяя то же самое несколько раз, мы увидим, что будет уже не кусок мела, а отдельные крупинки, которые можно разде- Рис. 1 лить на ещё более мелкие частички. Этот очень простой опыт свидетельствует о том, что вещество состоит из частиц. Можно проделать опыт с водой и краской. Растворим каплю краски или чернил в воде, налитой в стакан. Вода окрасится. Возьмём каплю этой окрашенной воды и капнем в другой стакан с чистой водой. Эта вода также окрасится, только цвет будет менее насыщенным. Можно повторить эту операцию ещё несколько раз. В каждом следующем опыте раствор будет окрашен, только слабее, чем в предыдущем (рис. 1). Так как в воде растворили лишь каплю краски и часть её попала в последний сосуд, то это значит, что капля краски состоит из отдельных частиц. Таким образом, описанные опыты подтверждают первое предположение, которое мы сделали: все вещества состоят из частиц. 3. Теперь рассмотрим опыты, позволяющие доказать, что между частицами есть промежутки. Если аккуратно налить в пробирку равные объёмы воды и спирта, например по 20 мл, а затем перемешать, то объём смеси будет меньше 40 мл (рис. 2). Это возможно только в том случае, если между частицами есть промежутки. Можно проделать другой опыт. Металлический шарик свободно проходит сквозь кольцо (рис. 3, а). Если шар нагреть, то он через спирт вода «■ смесь г\ Рис. 2 а) б) Рис. 3 кольцо не пройдёт (рис. 3, б). Это значит, что его объём увеличился, или, иначе говоря, шар при нагревании расширился. Расширение возможно благодаря тому, что частицы, из которых состоит шар, находятся на некоторых расстояниях друг от друга, т. е. между ними есть промежутки. При нагревании эти промежутки увеличиваются. Расширяются при нагревании и жидкости. Это тоже можно наблюдать на опыте. Если налить в колбу воду и закрыть её пробкой, в которую вставлена стеклянная трубочка (рис. 4, а), а затем воду в колбе нагреть, то можно заметить повышение уровня воды в трубке (рис. 4, б). Таким образом, мы подтвердили и вторую гипотезу. Итак, все вещества состоят из частиц, между которыми существуют промежутки. 4. К такому выводу мы пришли, осуществив определённую последовательность действий, которая повторяет действия учёного в процессе научного познания. Так, чтобы сформулировать положение о том, что все вещества состоят из частиц, между которыми есть промежутки, мы сначала рассмотрели некоторые опытные факты (результаты наблюдений), затем выдвинули предположение (гипотезу), которую проверили на опыте. По результатам опыта Рис. 4 сформулировали вывод. Таким образом, последовательность изучения строения вещества была следующей: наблюдение — гипотеза — эксперимент — вывод. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какие явления и опыты, описанные в параграфе, доказывают, что тела состоят из мельчайших частиц? Приведите свои примеры. 2. Какие опыты доказывают, что между частицами, из которых состоят тела, существуют промежутки? Задание 1 Ig. Проделайте опыт с водой и краской, описанный в параграфе. Сделайте вывод. 2. Можно проделать опыт: нагреть колбу, горлышко которой погружено в сосуд с водой (рис. 5). При этом из неё выходят пузырьки воздуха и поднимаются вверх. Объясните явление. Зд. Возьмите стакан, наполненный до краёв водой, и аккуратно всыпьте в него чайную ложку соли. Будет ли вода выливаться через край? Почему? Рис. 5 § 3. Молекулы / Что вам известно о строении вещества из курса химии? / Приведите примеры химических свойств вещества. 1. Из опытов, которые были рассмотрены в предыдущем параграфе, следует, что вещество можно разделить на отдельные частицы. Возникает вопрос: до каких пор можно производить это деление? Оказывается, существует определённый предел деления вещества. Иными словами, существует самая маленькая частица, которая сохраняет свойства вещества. Наименьшую частицу вещества, которая сохраняет его химические свойства, называют молекулой. Слова «химические свойства» не являются новыми; они известны вам из курсов естествознания и химии. Рассмотрим, что значит «сохраняет химические свойства», на примере мела. Мел — это ве- 8 щество, представляющее собой соединение кальция Са, углерода С и кислорода О (СаСОд). Это соединение имеет определённые химические свойства, в частности, оно может вступать в реакцию с каким-либо другим веществом. При этом и кусок мела, и молекула этого химического соединения будут вести себя в реакции одинаково. В этом смысле и говорят, что молекула сохраняет химические свойства данного вещества. Слово «молекула» происходит от латинского слова «молекуле», что значит «маленькая масса». Таким образом, можно сказать, что вещество состоит из молекул: мел состоит из молекул соединения кальция, сахар — из молекул сахара, вода — из молекул воды и т. д. 2. Многочисленные опыты показали, что молекулы очень малы. Увидеть их невооружённым глазом невозможно. И даже с помощью специального микроскопа можно сфотографировать лишь самые крупные молекулы. На рисунке 6 приведена фотография молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) бактерии. Если эту молекулу растянуть, то её длина будет равна 1,4 мм. Диаметр молекул таких веществ, как азот, водород, кислород и др., равен примерно 10"^ мм. То, что некоторые молекулы увидели и сфотографировали, доказывает факт их существования. О размере молекул можно судить по следующим примерам. Если уложить в ряд сто миллионов молекул воды, то получится цепочка длиной всего около 2 см. Молекула водорода во столько раз меньше яблока среднего размера, во сколько раз яблоко меньше земного шара. Поскольку молекулы такие маленькие, то в теле их содержится очень много. Так, в 1 см^ воздуха содержится 27 • 10^® молекул. Для того чтобы получить представление о числе молекул в единице объёма и соответственно об их размерах, предположим, что имеется стакан воды и молекулы воды, ‘ • "" ^ находящейся в нём, определённым Рис. 6 образом помечены. Выльем эту воду в Чёрное море. Будем считать также, что вода в море равномерно перемешалась. Зачерпнём из моря в любом месте стакан воды и увидим, что в нём окажутся сотни меченых молекул воды. 3. Масса молекулы, так же как и её размеры, очень мала. Например, масса одной молекулы водорода равна 3,3 • 10“^^ г, или 3,3 • 10“^^ кг, а масса одной молекулы воды — 3 • кг. Масса и размеры молекул одного и того же веш;ества одинаковы. В настояпдее время масса и размеры молекул различных веществ определены достаточно точно. 4. Возникает вопрос: можно ли молекулу разделить на отдельные частицы? Оказывается, можно! Молекула воды, например, состоит из водорода и кислорода. Однако водород и кислород уже другие вещества, и они обладают свойствами, отличными от свойств воды. Разделить молекулу воды на такие вещества можно в процессе химической реакции. Частицы, из которых состоят молекулы веществ, называют атомами. Атом — наименьшая частица вещества, не делящаяся при химических реакциях. Так, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода; молекула поваренной соли — из одного атома натрия и одного атома хлора. Молекула сахара, который мы обычно употребляем в пищу, более сложная: она состоит из 12 атомов углерода, 22 атомов водорода и 11 атомов кислорода, а молекула белка состоит из тысячи атомов. Существуют вещества, молекулы которых содержат однородные атомы. Например, молекула водорода состоит из двух атомов водорода, молекула кислорода — из двух атомов кислорода. Таким образом, можно сказать, что вещества состоят из молекул и атомов. 5. Определённое вещество, независимо от того, как оно получено, состоит из одних и тех же молекул и атомов. Например, молекула воды, полученной при таянии льда, или из сока ягод, или налитой из-под крана, содержит два атома водорода и один атом кислорода. Молекула кислорода, извлечённая из атмосферного воздуха или полученная в ходе какой-либо химической реакции, состоит из двух атомов кислорода. 10 Вопросы для самопроверки 1. Каков предел деления вещества? 2. Что называют молекулой? 3. Каковы размеры молекул? 4. Сколько молекул воздуха содержится в 1 см^? 5. Что такое атом? 6. Из каких атомов состоит вода; поваренная соль? 7. Можно ли разделить атом на более мелкие частицы в ходе химической реакции? Задание 2 1. До каких пор будет растекаться капля масла, помещённая на поверхность воды в широком сосуде? Ответ обоснуйте. 2*. Как, зная объём капли масла, определить диаметр молекулы масла? Выполните соответствующий эксперимент. 3*. В 1 м^ любого газа при одинаковых условиях содержится равное число молекул. Почему плотность кислорода почти в 10 раз больше плотности водорода? 4. В 1 см^ любого газа при 0 °С содержится 27 • 10^® молекул. Какова масса 1 см® водорода, если масса одной молекулы водорода равна 3,3 • 10-24 г? § 4. Движение молекул. Диффузия / Что называют молекулой? / Какую физическую величину называют скоростью? 1. Вы уже знаете, что все вещества состоят из молекул и атомов, между которыми есть промежутки. Возникает вопрос: покоятся молекулы вещества или они движутся? Чтобы ответить на него, обратимся к явлениям, хорошо вам знакомым. Если повесить на верёвку мокрое бельё, то оно через некоторое время высохнет. Очевидно, вы знаете, что произойдёт, если смочить ватку духами: очень скоро запах духов будет чувствоваться в другом конце комнаты. Подобные явления заставили древних мыслителей задуматься о строении вещества; это описано Лукрецием Каром в поэме «О природе вещей» (см. § 1). Если бы молекулы были неподвижны, то бельё не высыхало бы и запахи не распространялись бы по комнате. Остаётся предположить, что молекулы движутся. Сложность экспериментальной проверки этого предположения заключается в том, что молекулы малы и само их движение наблюдать невозможно. Однако можно 11 изучить явления, которые являются следствием движения молекул. Рассмотрим одно из них. 2. В 1827 г. английский ботаник Роберт Броун (1773— 1858) изучал с помощью микроскопа поведение частичек цветочной пыльцы, взвешенных в воде. Он заметил, что частички совершают беспорядочное движение; они как бы дрожат в воде. Такое движение называют броуновским. На рисунке 7 показана в увеличенном масштабе траектория движения частицы. Причину движения частиц пыльцы долго не могли объяснить. Броун предположил вначале, что частицы движутся, потому что они живые. Движение частиц пытались объяснить неодинаковым нагреванием разных частей сосуда, происходящими химическими реакциями и т. д. Лишь значительно позже поняли истинную причину броуновского движения. Эта причина — движение молекул воды. Молекулы воды, в которой находится частица пыльцы, движутся и ударяются о неё. При этом с разных сторон о частицу ударяется неодинаковое число молекул, что и приводит к её перемещению. Пусть в момент времени под действием ударов молекул воды частица переместилась из точки А в точку В (см. рис. 7). В следующий момент времени большее число молекул ударяется о частицу с другой стороны, и направление её движения изменяется, она перемещается из точки В в точку С. Таким образом, движение частицы пыльцы является следствием движения молекул воды, в которой пыльца находится. Подобное явление можно наблюдать, если поместить в воду частицы краски или сажи. Броуновское движение частиц можно наблюдать и в газах. В 12 3. Выясним, каков характер движения молекул. По траектории движения частицы пыльцы (см. рис. 7) видно, что направление её движения всё время меняется. Поскольку движение частицы — следствие движения молекул воды, то можно сделать вывод, что молекулы движутся беспорядочно {хаотически). Иными словами, нельзя выделить какое-то определённое направление, в котором движутся все молекулы. Движение молекул никогда не прекращается. Можно сказать, что оно непрерывно. Итак, молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении. 4. Положение тела, совершающего равномерное механическое движение, можно определить, если известны его начальное положение, скорость и время движения. Иначе обстоит дело в случае движения молекул. Вы уже знаете, что тела состоят из большого числа молекул. Поскольку движение молекул беспорядочно, то нельзя точно сказать, сколько ударов будет испытывать та или иная молекула со стороны других. Поэтому говорят, что положение молекулы и её скорость в каждый момент времени случайны. Однако это не означает, что движение молекул не подчиняется никаким законам. В частности, хотя скорости молекул в любой момент времени различны, у большинства из них значения скорости близки к некоторому определённому значению. Обычно, говоря о ско- _ рости движения молекул, имеют в виду среднюю скорость (i^cp)- 5*. Скорости движения молекул были определены экспериментально немецким учёным Отто Штерном (1888—1969) в 1920 г. Сущность опыта Штерна можно объяснить, используя модель, изображённую на рисунке 8. На подставке 1 установлен диск 2; на нём — полая изогнутая трубка 3. По краю диска укреплены спички 4. Если диск покоится, то шарик, пущенный по трубке, собьёт спичку, расположенную напротив её изогнутого конца (точка А). Рис. 8 13 При вращении диска за время движения шарика точка А повернётся на некоторый угол и шарик собьёт спичку, расположенную в точке В. Чем больше скорость шарика, тем ближе к точке А он будет сбивать спички. Установка в опыте Штерна состояла из двух жёстко связанных цилиндров 1 и 2, имеющих общую ось (рис. 9). В стенке внутреннего цилиндра была проделана щель 3, а вдоль оси цилиндра натянута платиновая нить 4, покрытая серебром. Нить нагревали, с неё испарялись атомы серебра, которые пролетали через щель и осаждались на внутренней поверхности внешнего цилиндра. Пока цилиндры были неподвижны, атомы осаждались напротив щели. Осадок имел форму полоски (рис. 10, а). Когда цилиндры приводили во вращение, то атомы серебра осаждались не напротив щели, а на некотором расстоянии от полоски атомов, образовавшейся в случае неподвижных цилиндров. При этом в зависимости от скорости движения атомов они оседали на разных расстояниях от полоски. Поэтому полоска не имела чётких границ, как бы размывалась. При этом центральная её часть была толще, чем края (рис. 10, б). Это означает, что скорость большей части атомов близка к некоторому определённому значению. Если известны путь, пройденный молекулой (атомом), и время, за которое он пройден, то можно определить скорость молекулы. Из опыта Штерна найдено, что скорости большинства атомов серебра при температуре 1200 °С лежат в интервале от 500 до 625 -. б) Рис. 9 Рис. 10 14 6. Как вам известно, запах духов распространяется благодаря движению молекул. Молекулы духов так же, как и молекулы воздуха, движутся. Молекулы духов проникают в промежутки между молекулами воздуха, а молекулы воздуха — в промежутки между молекулами духов. Явление взаимного проникновения соприкасающихся веществ друг в друга называют диффузией. Диффузия происходит вследствие хаотического движения молекул. 7. Распространение запаха — пример диффузии в газах. Диффузия происходит и в жидкостях. Например, если капнуть в воду каплю чернил или туши, то мы увидим, как она начнёт расплываться. Это происходит потому, что молекулы краски проникают в промежутки между молекулами воды. Нальём в мензурку раствор медного купороса, а сверху — воду так, чтобы между этими жидкостями была резкая граница (рис. 11, а). Через два-три дня заметим, что граница уже не будет такой резкой (рис. 11, б); через неделю она совсем размоется (рис. 11, в). Спустя месяц жидкость станет однородной и во всём сосуде будет окрашена одинаково (рис. 11, г). В этом опыте молекулы медного купороса проникают в промежутки между молекулами воды, а молекулы воды — в промежутки между молекулами медного купороса. Опыты показывают, что диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях. Это объясняется тем, что газы имеют меньшую плотность, чем жидкости, т. е. молекулы газов расположены на больших расстояниях друг от друга. 8. Диффузия происходит и в твёрдых телах. Однако молекулы твёрдых тел находятся ещё ближе друг к другу, чем молекулы жидкостей, поэтому диффузия в твёрдых телах протекает очень медленно. Был проделан такой эксперимент. Сложили вместе две ;п:: ■му Я1 а) б) в) Рис. 11 г) 15 хорошо отполированные плитки из свинца и золота, прижали их друг к другу и поместили в печь с высокой температурой, но меньшей, чем температура плавления металлов. Приблизительно через год, рассмотрев под микроскопом тонкий пограничный слой, в нём обнаружили присутствие как молекул золота, так и молекул свинца. 9. В природе, технике и быту можно обнаружить множество явлений, в которых проявляется диффузия: окрашивание, склеивание, спайка и др. При окрашивании ткани, например, частицы краски проникают в промежутки между частицами ткани. Диффузия имеет большое значение в жизни человека и животных. В частности, благодаря диффузии кислород из окружаюш;ей среды поступает в организм человека не только через лёгкие, но и через кожу. Посредством диффузии питательные веш;ества проникают из кишечника в кровь. 10. Мы установили, что скорость диффузии различна в газах, жидкостях и твёрдых телах, она зависит от агрегатного состояния вещества. Возникает вопрос: от чего ещё зависит скорость диффузии? Оказывается, что она зависит от температуры. Температура — это физическая величина, которая характеризует тепловое состояние тела. Так, температура горячей воды выше, чем холодной; зимой температура воздуха на улице ниже, чем летом. Как вы знаете, температуру измеряют термометром. Единицей температуры является градус Цельсия (1 °С). Для того чтобы выяснить, как зависит скорость диффузии от температуры тела, возьмём два сосуда с водой и медным купоросом (см. рис. 11, а). Один из них поставим в холодильник, а другой оставим в комнате. Через некоторое время можно будет увидеть, что при более высокой температуре диффузия происходит быстрее. Поскольку диффузия — следствие движения молекул, то можно сделать вывод, что скорость движения молекул и температура тела связаны между собой: чем больше средняя скорость движения молекул тела, тем выше его температура. 16 Вопросы для самопроверки 1. Приведите примеры явлений, доказывающих, что молекулы движутся. 2. Как вы понимаете, что движение молекул беспорядочное и непрерывное? 3. Чем отличается движение молекулы газа от механического движения тела? 4*. Как в опыте Штерна были определены скорости движения молекул? 5. Какое явление называют диффузией? 6. Сравните скорость диффузии в газах, жидкостях и твёрдых телах. 7. Как связаны скорость диффузии и средняя скорость движения молекул с температурой тела? Поясните ответ примерами. Задание 3 1. Почему детские воздушные шарики постепенно уменьшаются в объёме? Ответ обоснуйте. 2. Объясните, почему сахар и другие пористые продукты нельзя долго хранить около пахучих веществ. 3. В какой воде — холодной или горячей — сахар растворяется быстрее? Почему? Ответ обоснуйте. 4з. Проделайте опыт. Налейте в стакан холодной воды и опустите на дно кристаллик марганцовки (крупинку краски или каплю иода). Наблюдайте протекание диффузии. Измеряйте высоту окрашенного столба воды каждый день. Данные заносите в тетрадь. Определите, через какое время окрасится верхний слой воды. 5д. Пронаблюдайте диффузию в твёрдых телах. Для этого возьмите маленькую стеклянную пластину (можно пластину или линейку из оргстекла), положите на неё кристаллик марганцовки и покройте его расплавленным парафином. Поместите пластину в тёплое место. Рассматривайте её каждый день. Определите, через сколько дней будет заметен результат диффузии. бд. Возьмите два стакана. В один налейте воду комнатной температуры, а в другой — столько же холодной воды. Опустите в каждый из них по кристаллику марганцовки. Стакан с холодной водой поставьте в холодильник, второй стакан оставьте в комнате. Ежедневно отмечайте положение границы между окрашенной и чистой водой в стаканах. Данные записывайте в тетрадь. По результатам опыта сделайте вывод о зависимости скорости диффузии от температуры. 7д. Подготовьте сообщение о роли диффузии в процессе жизнедеятельности организма человека, используя различные источники информации, в том числе Интернет. 17 § 5. Взаимодействие молекул / Что называют взаимодействием тел? / Какую физическую величину называют силой? 1. Наблюдения показывают, что тела не распадаются на отдельные молекулы, их трудно растянуть или сломать. Как это можно объяснить? Если тела не распадаются на молекулы, то очевидно, что молекулы притягиваются друг к другу. Взаимное притяжение удерживает молекулы друг около друга. Проделаем опыт. Возьмём два свинцовых цилиндра, ____ прижмём их друг к другу, а затем отпустим. Они разъединятся. Теперь зачистим поверхности цилиндров и вновь прижмём их друг к другу. Цилиндры слипнутся (рис. 12). Они не разъединятся даже в том случае, если к нижнему цилиндру подвесить груз массой несколько килограммов. Этот результат можно объяснить так: цилиндры удерживаются вместе, поскольку между молекулами действуют силы притяжения. Почему же они разъединялись до того, как их зачистили? Очевидно, поверхности цилиндров имели неровности, которые были устранены при зачистке. Поверхности стали гладкими, и это привело к уменьшению расстояний между молекулами, находящимися на по-0^ верхностях цилиндров, когда их прижали друг к дру-гу, и к возникновению сил притяжения между молекулами. 2. Из этих рассуждений следует вывод о том, что силы притяжения между молекулами действуют на малых расстояниях. Эти расстояния равны примерно размерам молекулы. Именно поэтому нельзя, разбив чашку и соединив осколки, получить целую чашку. Если разломить палку на две части, а затем соединить их, то целая палка также не получится. Если взять два куска пластилина и прижать их друг к другу, то они легко слипнутся. Это происходит потому, что при соединении кусков пластилина расстояния между молекулами можно сделать маленькими и между ними будут действовать силы притяжения. 3. Итак, между молекулами действуют силы взаимного притяжения. Почему же тогда молекулы не «слипаются», а между ними есть промежутки? Почему твёрдые тела и жидкости трудно сжать? Газы сжать легче, но всё равно нужно приложить для этого А 5 Рис. 12 18 некоторое усилие. Очевидно, существуют силы, которые препятствуют этому сжатию, препятствуют сближению молекул. Это — силы отталкивания. Существование сил отталкивания между молекулами можно доказать с помощью следующего опыта. Подействуем на ластик некоторой силой, сжав его. Когда перестанем сжимать ластик, он примет первоначальную форму. Подобный опыт вы можете проделать сами. Ластик примет первоначальную форму, потому что при сжатии молекулы, из которых состоит ластик, сближаются, силы взаимодействия между ними увеличиваются. Таким образом. а) F ^ог . F ^пр F F •*^пр . ‘‘от б) /пр лГ*" ■^пр^Дт в) 4 —1 F ’•'Пр у* -> -^от Рис. 13 между молекулами действуют силы взаимного притяжения и отталкивания. Эти силы уравновешивают друг др>та, когда тело не дес])ормировано (рис. 13, а). При растяжении сила отталкивания уменьшается в большей степени, чем сила притяжения (рис. 13, б). При сжатии сила отталкивания увеличивается в большей степени, чем сила притяжения (рис. 13, в). Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Почему тела не распадаются на отдельные молекулы? 2. На каких расстояниях взаимодействуют молекулы между собой? Как это доказать? 3. Каков характер взаимодействия между молекулами? 4. Приведите примеры проявления сил притяжения и сил отталкивания между молекулами. 5. Почему нельзя восстановить разбитую чашку, если просто приложить осколки друг к другу? Почему её можно склеить? Задание 4 1д. Проделайте опыт. Возьмите стеклянную пластину. Прикрепите к ней с помощью ниток и пластилина пружинку (резинку, динамометр). Опустите пластину на поверхность воды, налитой в тарелку (рис. 14). Затем медленно, держа пружинку за конец, отрывайте пластину от поверхности воды. Наблюдайте, что происходит, и ответьте на вопросы: а) Сразу ли оторвётся пластина от поверхности воды? Почему? 19 Рис. 14 б) Что происходит с пружинкой (резинкой)? Почему? в) Почему поверхность пластины после её отрыва покрыта каплями воды? Сделайте вывод. 2. Объясните, почему частички мела, остающиеся на доске при письме, не отпадают от её поверхности. § 6. Смачивание. Капиллярные явления / Как взаимодействуют между собой молекулы вещества? 1. Вам конечно же доводилось наблюдать на листьях растений капельки воды после дождя или капельки росы. Вы также, наверно, замечали, что иногда вода не собирается в отдельные капли, а растекается по всему листу. Выясним, в каких случаях и почему так происходит. Возьмём два листа бумаги: один чистый, а другой — смазанный жиром или воском. Нальём на них немного воды. По листу чистой бумаги вода растечётся, а на покрытой воском соберётся в капли. Говорят, что в первом случае вода смачивает бумагу, а во втором — не смачивает. Как объяснить эти явления? Вспомним, что молекулы притягиваются друг к другу. Силы притяжения действуют как между молекулами воды, так и между молекулами воды и бумаги. Очевидно, силы притяжения между молекулами обычной бумаги и молекулами воды больше, чем между молекулами воды. Поэтому вода по ней растекалась. Во втором случае силы притяжения между молекулами воды больше, чем между молекулами воды и молекулами воска, поэтому вода собиралась в капли. 20 в опыте со стеклянной пластиной (см. рис. 14) вода смачивала стекло. Если её покрыть воском или взять вместо стеклянной пластины парафиновую, то вода их не будет смачивать. Вода, кроме стекла и бумаги, смачивает дерево, ткани и не смачивает все жирные поверхности. 2. Явление смачивания часто наблюдается в природе и широко используется в жизни. Если бы вода не смачивала ткани, нельзя было бы ни выстирать бельё, ни вытереться полотенцем. Возникает вопрос: почему у водоплаваюпдих птиц перья остаются сухими? Оказывается, у птиц есть особая железа, выделяющая жир. С помощью клюва они смазывают этим жиром перья. Поэтому перья не смачиваются водой: вода с них скатывается. Существует насекомое, которое постоянно живёт в воде, — паук-серебрянка. Его тело покрыто пушком. Паук не намокает в воде, поскольку силы притяжения между молекулами воды больше, чем силы притяжения между молекулами воды и молекулами его пушка. 3. С явлением смачивания связаны капиллярные явления. Проделаем опыт. Возьмём несколько достаточно узких стеклянных трубок разного диаметра. Такие узкие трубки называют капиллярами. Опустим их в сосуд с водой. Мы увидим, что вода в трубках поднимется, правда, на разную высоту (рис. 15). Подъём воды в капиллярах объясняется тем, что вода смачивает стекло, т. е. силы притяжения между молекулами стекла и воды больше, чем между молекулами воды, они и заставляют воду подниматься. По этой же причине поверхность воды в трубках не будет плоской, она слегка приподнята по краям. Из опыта также видно, что, чем меньше диаметр трубки, тем выше поднимается вода. Высота столба жидкости в капилляре зависит и от рода жидкости: чем больше плотность жидкости, тем меньше высота подъёма. 4. Если опустить трубки в жидкость, которая не смачивает стекло, например в ртуть, то уровень жидкости в них будет ниже, чем в сосуде (рис. 16). В этом слу- Рис. 15 21 чае силы притяжения между молекулами ртути и стекла меньше, чем силы притяжения между молекулами ртути. Это и заставляет ртуть опускаться в капилляре. Поверхность ртути так же, как и поверхность воды, не плоская, она выпуклая, края её опущены. Высота, на которую опускается ртуть, также зависит от диаметра капилляра. Подъём или опускание жидкости в узких трубках называют капиллярными явлениями. 5. Капиллярные явления очень распространены в живой и неживой природе. Так, влага и питательные вещества поступают в растения из почвы благодаря наличию в ней капилляров — промежутков между частицами почвы. Если чуть увядшие цветы поставить в воду, то через некоторое время они оживут, так как вода поднимется по капиллярам вверх и дойдёт до листьев и соцветия. Почву после дождя обычно рыхлят для того, чтобы разрушить капилляры. Это позволяет дольше сохранить в почве влагу, иначе вода поднимется по капиллярам и испарится. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Объясните, почему вода смачивает чистое стекло и не смачивает смазанную жиром бумагу. 2. Смачивает ли ртуть стекло? Почему? 3. Приведите примеры смачивания и несмачивания, наблюдаемые в природе. 4. Какие явления называют капиллярными? Приведите примеры капиллярных явлений. 5. Объясните, почему вода поднимается по капиллярам, а ртуть — опускается. 6. От каких величин и почему зависит высота столба жидкости в капилляре? Задание 5 I3. Придумайте и проделайте опыты по наблюдению смачивания и несмачивания. 2. Объясните, на каком явлении основано письмо на бумаге. Можно ли писать перьевой ручкой на вощёной бумаге? Почему? Почему трудно писать на промокательной бумаге? 3. Известна следующая история, которая произошла в XIX в. в Германии. Из Америки привезли несколько уток редкой породы. В доро- 22 re их оперение сильно загрязнилось. Новый владелец уток решил их вымыть и посадил в чан с водой. Через полтора часа он обнаружил, что все утки утонули. Объясните, что произошло с утками. 4.. Проделайте опыт по наблюдению капиллярных явлений. Для выполнения опыта возьмите стеклянные или пластмассовые трубочки разного диаметра, например трубочки для сока, трубочки от пипетки. Опустите их сначала в воду, затем в концентрированный раствор поваренной соли, затем в какую-либо другую жидкость. Опишите наблюдаемые явления. Сравните высоту подъёма разных жидкостей в одной и той же трубке, одной и той же жидкости в разных трубках. 5.. Что произойдёт с двумя листами бумаги, если между ними поместить каплю воды? Проделайте этот опыт. Вместо бумаги можно взять стеклянные пластины. Зачем при складывании полированных стёкол между ними кладут листы бумаги? § 7. Строение газов, жидкостей и твёрдых тел / в каких агрегатных состояниях может находиться вещество в природе? 1. Вещества в природе могут находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при определённых значениях температуры может быть твёрдой (лёд), жидкой (вода), газообразной (пар). Ртуть, которая применяется, например, в известном вам медицинском термометре, находится в жидком состоянии; если её охладить до температуры ниже -39 °С, то она станет твёрдой, а если нагреть выше 357 °С, то она превратится в газ. Из примеров, которые упоминались раньше, из ваших собственных наблюдений можно сделать вывод, что свойства тел в разных агрегатных состояниях различны. Рассмотрим их. 2. Твёрдое тело имеет определённую форму и определённый объём. Его трудно сжать или растянуть; если его сжать, а потом отпустить, то оно, как правило, восстанавливает свою форму и объём. Исключение составляют некоторые вещества, твёрдое состояние которых близко по своим свойствам к жидкостям (пластилин, воск, вар). 3. Нальём жидкость в банку, перельём её из банки в стакан, а затем в чашку. Во всех случаях жидкость будет принимать форму сосуда, в который она налита. Это говорит о том, что жидкость в условиях Земли не имеет собственной формы. Только очень маленькие капли жидкости имеют свою форму — форму шара. 23 Объём жидкости изменить чрезвычайно трудно. Это можно проверить, если набрать воду в насос, закрыть отверстие внизу и попытаться сжать воду. Вряд ли ваши попытки окажутся удачными. Это означает, что жидкость имеет собственный объём. 4. В отличие от жидкости объём газа изменить довольно легко. Например, сжав руками мяч или воздушный шарик, мы меняем объём воздуха, наполняющего их. Газ не имеет собственного объёма, он занимает полностью объём сосуда, в котором находится. То же можно сказать и о форме газа. Из рассмотренных примеров можно сделать вывод: твёрдые тела имеют собственную форму и объём; жидкости имеют собственный объём, но не имеют собственной формы; газы не имеют ни собственного объёма, ни собственной формы. Твёрдые тела и жидкости трудно сжать, газы легко сжимаемы. 5. Почему же газы, жидкости и твёрдые тела имеют такие разные свойства? Объяснить это можно, используя знания о том, что вещества состоят из частиц (молекул или атомов), которые находятся в непрерывном и хаотическом движении и взаимодействуют между собой. Эти положения лежат в основе молекулярно-кинетической теории строения вещества. Прежде всего следует иметь в виду, что молекулы вещества в разных агрегатных состояниях одинаковы. Так, лёд, вода и водяной пар состоят из молекул воды, которые содержат два атома водорода и один атом кислорода. Следовательно, причину различия свойств вещества в разных состояниях надо искать в расположении, характере движения и взаимодействия молекул. Поскольку газы занимают весь предоставленный им объём, то очевидно, что силы притяжения между молекулами газа малы. А это значит, что молекулы находятся на сравнительно больших расстояниях друг от друга. В среднем расстояния между молекулами газа в десятки раз больше расстояний между молекулами жидкости. Это подтверждается тем, что газы легко сжимаемы. Малые силы притяжения влияют и на характер движения молекул газа. Молекула газа движется прямолинейно до столкновения с другой молекулой, в результате чего меняет направление своего движения и движется прямолинейно до следующего столкновения. 6. Твёрдые тела трудно сжать. Это связано с тем, что их молекулы находятся близко друг к другу и при небольшом изменении расстояния между ними резко возрастают силы отталкивания. 24 Сравнительно большое притяжение между С1 Na молекулами твёрдых тел приводит к тому, что они сохраняют форму и объём. Атомы или молекулы большинства твёрдых тел расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку. На рисунке 17 изображена кристаллическая решётка поваренной соли. В узлах кристаллической решётки (положениях равновесия частиц) находятся атомы натрия (Na) и хлора (С1). Частицы твёрдого тела (атомы или молекулы) совершают колебательное движение относительно узлов кристаллической решётки. 7. В жидкостях молекулы расположены также довольно близко друг к другу. Поэтому жидкости имеют свой объём и плохо сжимаемы. Но так как жидкости не сохраняют свою форму, можно предположить, что силы притяжения между молекулами жидкости меньше, чем между молекулами твёрдого тела. Характер движения молекул жидкости очень сложен. Они располагаются не так упорядоченно, как молекулы твёрдых тел, но в большем порядке, чем молекулы газов. Молекулы жидкости совершают колебательное движение относительно положений равновесия, однако с течением времени эти положения равновесия смещаются, т. е. молекулы перескакивают с места на место. На рисунке 18 показано расположение молекул воды в разных агрегатных состояниях: а — в твёрдом, б — в жидком, в — в газообразном. а ^ Я .XI а) б) Рис. 18 в) 25 Вопросы для самопроверки 1. Назовите основные свойства: твёрдых тел; жидкостей; газов. 2. Пользуясь рисунком 18, объясните: а) чем различается строение газов, жидкостей и твёрдых тел; б) чем различается характер движения молекул газов, жидкостей и твёрдых тел; в) чем различается взаимодействие молекул газов, жидкостей и твёрдых тел. 3. Почему газы заполняют весь предоставленный им объём? 4. Почему жидкости плохо сжимаемы? 5. Почему жидкости не сохраняют свою форму? 6. Почему твёрдые тела сохраняют форму и объём? Задание 6 1. Выпишите из текста параграфа и приведите свои примеры веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях при температурах О—100 °С. Заполните таблицу 1. Таблица 1 Твёрдое Жидкое Газообразное 2. Заполните таблицу 2. Таблица 2 Агрегатное состояние вещества Собст- венная форма Собст- венный объём Расстояния между молекулами Силы взаимодействия между молекулами Характер движения молекул Твёрдое Жидкое Газо- образное 3*. Приведите примеры использования свойств газов, жидкостей и твёрдых тел в технике. 26 Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном приложении задания и тест № 1. Темы докладов и проектов 1. Капиллярные явления в природе. 2. Смачивание в природе. 3. Фундаментальные эксперименты при изучении строения вещества. f ■■■ Основное в главе 1. Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества и их опытное обоснование (табл. 3). Таблица 3 Положение молекулярно-кинетической теории строения вещества Опытное обоснование Все вещества состоят из частиц (молекул или атомов), между которыми есть промежутки Делимость вещества. Тепловое расширение. Смешивание воды и спирта Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении. Чем больше средняя скорость движения молекул, тем выше температура тела Диффузия. Броуновское движение. * Опыт Штерна по определению скоростей молекул Между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания «Слипание» свинцовых цилиндров. Смачивание 27 2. Основные свойства и строение твёрдых тел, жидкостей и газов(табл. 4). Таблица 4 Агрегатное состояние вещества Твёрдое Жидкое Газообразное Объём Имеет собственный Имеет собственный Занимает объём сосуда Форма Имеет собственную Принимает форму сосуда Принимает форму сосуда Движение молекул Колебательное относительно узлов кристаллической решётки Колебательное с изменением положений равновесия Поступательное Механические свойства жидкостей, газов и твёрдых тел Знание основных положений молекулярно-кинетической теории строения вещества, как вы убедились, позволяет объяснить целый ряд свойств вещества. Объяснение явлений или свойств тел и веществ — это одна из задач физической теории. Однако роль теории заключается ещё и в том, чтобы предсказывать явления и свойства тел. § 8. Давление жидкостей и газов. Закон Паскаля / Каково строение газов; жидкостей? / Что называют давлением? 1. Из курса физики 7 класса вы узнали, что твёрдые тела оказывают давление на опору. Его можно рассчитать по формуле: F где F — сила, действующая на опору, S — площадь опоры. Единицей давления является паскаль (1 Па): г 1 1 Н , Н 1 „ [р] = —2 = 1 ^ = 1 Па. 1 29 2. Возникает вопрос: оказывают ли давление жидкости и газы? Каждый из вас надувал воздушные шарики. Почему воздушный шарик раздувается? Ответить на этот вопрос нам позволяет молекулярно-кинетическая теория строения вегцества. Молекулы воздуха непрерывно движутся и при этом сталкиваются друг с другом, а также с молекулами стенок шарика. Эти удары и вызывают давление газа на стенки шарика или любого другого сосуда, в котором газ находится. Удар одной молекулы слаб, но внутри шарика находится огромное число молекул, поэтому их суммарное давление на стенки шарика ош;утимо. Чем выше температура газа, тем с большей скоростью движутся молекулы и тем чаще и сильнее ударяются они о стенки сосуда. Следовательно, давление газа на стенки сосуда увеличится при повышении температуры. Если сжать газ в сосуде, т. е. уменьшить его объём, не меняя массу и температуру газа, то число молекул в единице объёма увеличится, увеличится и плотность газа. Число ударов молекул о стенки сосуда при этом возрастет, следовательно, увеличится давление газа. При увеличении объёма газа при той же массе уменьшится его плотность и число ударов молекул о стенки сосуда. Давление газа при этом уменьшится. Таким образом, давление газа тем больше, чем выше его температура и меньше объём при неизменной массе. 3. Рассмотрим теперь, как газы и жидкости передают производимое на них давление. Проделаем опыт, используя шар Паскаля. Он представляет собой полый шар, имеющий в различных местах узкие отверстия, и присоединённую к нему трубку с поршнем (рис. 19). Наполним прибор водой, а затем нажмём на поршень. Вода польётся изо всех отверстий шара. Это говорит о том, что давление, которое мы со-здаём, действуя на поверхность воды в трубке, передаётся водой по всем направлениям. Тот же эффект можно наблюдать, если шар заполнить дымом. Дым тоже будет передавать производимое на него давление по всем направлениям. Передача давления жидкостями и газами по всем направлениям объясняется подвиж-Рис.19 ностью их мо.пекул. Подвижность молекул 30 Рис. 20 проявляется в том, что слои и частицы жидкостей и газов могут свободно перемещаться друг относительно друга по разным направлениям. Благодаря подвижности молекул давление, которое оказывает поршень на ближайший к нему слой, передаётся последующим слоям. Молекулы газа и жидкости движутся хаотически, поэтому их действие распределяется равномерно по всему объёму шара. 4. Проделаем ещё один опыт. Опустим в колбу, закрытую пробкой, три трубки одинакового диаметра, но разной формы. Отверстия всех трубок находятся на одной глубине, и уровень воды в них такой же, как и в колбе. Через четвёртую трубку будем нагнетать в колбу воздух (рис. 20). Увидим, что во всех трёх трубках вода поднимется и установится на одном и том же уровне. Происходит это потому, что при нагнетании воздуха в колбе увеличивается его давление. Это избыточное давление воздух передаёт поверхностному слою воды, который передаёт давление следующим слоям, лежащим глубже. Таким образом, созданное нами избыточное давление передаётся за счёт хаотичности движения молекул воздуха и воды по всем направлениям. Поскольку уровень воды в трубках одинаков, то можно утверждать, что давление передаётся жидкостями и газами по всем направлениям одинаково. 5. Обобщив результаты экспериментов, можно сделать вывод: давление, производимое на жидкость или газ, передаётся без изменения в каждую точку жидкости или газа. Это утверждение называется законом Паскаля. Закон назван по имени французского физика и математика Блеза Паскаля (1623—1662), который, изучая свойства жидкостей и газов, и установил этот закон. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Чем обусловлено давление жидкостей и газов на стенки сосуда, в котором они находятся? 2. Как доказать, что газы и жидкости оказывают давление на стенки сосуда? 31 3. Как доказать, что жидкости и газы передают давление по всем направлениям одинаково? 4. Сформулируйте закон Паскаля. Задание 7 1. Выполняется ли закон Паскаля в состоянии невесомости? 2. Справедлив ли закон Паскаля для твёрдых тел? Почему? 3^. Придумайте опыт, позволяющий проиллюстрировать закон Паскаля, и выполните его. § 9. Давление в жидкости и газе / Как рассчитать давление твёрдого тела на опору? / Вспомните закон Паскаля. 1. Твёрдые тела производят давление на опору вследствие действия на них силы тяжести. Поскольку на жидкости тоже действует сила тяжести, то логично предположить, что и жидкости оказывают давление на дно сосуда. Это можно доказать экспериментально. Возьмём трубку, дно которой затянуто резиновой плёнкой. Нальём в трубку воду. Мы увидим, что плёнка при этом прогнётся (рис. 21). Это происходит потому, что каждый слой воды давит на другие слои, лежащие ниже, и соответственно на дно сосуда. Любая жидкость, так же как и вода, оказывает давление на дно сосуда, в котором находится. Давление производится жидкостью не только на дно сосуда, но и на стенки, оно существует внутри жидкости на любой её глубине. При этом производимое давление передаётся, согласно закону Паскаля, по всем направлениям одинаково. Следовательно, столб жидкости на уровне АА' (рис. 22) производит давление и вниз, и вверх, а) б) Рис. 21 1 > 1 / / Рис. 22 32 и вправо, и влево, по всем другим направлениям, и значение его одинаково. Этот вывод можно проверить на опыте. Возьмём коробочку 1, одна сторона которой затянута резиновой плёнкой 2, и соединим её резиновой трубкой с прибором, измеряющим давление (рис. 23). Этот прибор называют жидкостным манометром. Он представляет собой U-образную трубку, оба конца которой открыты. В манометр налита жидкость. При равном давлении на поверхность жидкости в обеих трубках (коленах) манометра её уровень одинаков. Если давление на жидкость в одном колене больше, чем в другом, то уровень жидкости в нём ниже. Соответственно чем больше разность уровней жидкости в трубках, тем больше давление. Опустим коробочку в воду на некоторую глубину h и будем её поворачивать, не меняя расстояния от поверхности (рис. 24). Мы заметим, что разность уровней жидкости в трубках манометра не изменяется. Следовательно, давление воды {как и любой другой жидкости) на одном уровне одинаково по всем направлениям. Это означает, что на уровне АА' (см. рис. 22) давление жидкости на нижележащий слой и на стенки сосуда одинаково. 2. Если в трубку с дном, затянутым плёнкой, добавить воды, то плёнка прогнётся сильнее (см. рис. 21, б). Это происходит потому, что увеличивается масса воды и соответственно давление воды на дно трубки. Таким образом, давление жидкости на дно сосуда тем больше, чем больше высота столба жидкости. Это можно подтвердить, используя ту же коробочку, что и в опыте, изображённом на рисунке 24. Если опустить коробочку в воду Рис. 24 33 на большую глубину, то разность уровней жидкости в манометре увеличится, т. е. давление возрастёт. 3. Возьмём теперь две одинаковые трубки с дном, затянутым плёнкой, и в одну нальём воду, а в другую до такого же уровня масло, плотность которого меньше плотности воды. Мы увидим, что плёнка у трубки с водой прогнётся сильнее, чем у трубки с маслом. Это означает, что давление на дно сосуда тем больше, чем больше плотность жидкости. 4. Получим формулу, выражающую зависимость давления жидкости на дно сосуда от высоты столба жидкости и её плотности. Для того чтобы упростить вывод, будем считать, что жидкость находится в сосуде, имеющем форму прямоугольного параллелепипеда (рис. 25). Пусть площадь дна сосуда S, высота столба жидкости Л, а её плотность р. Сила давления жидкости F на дно сосуда равна её весу Р. Вес жидкости Р равен произведению её массы т и ускорения свободного падения g: F = Р = mg. Массу жидкости т найдём, умножив её плотность р на объём F: т = pF, где F= Sh. Тогда F = mg = pF^ = ^Shg. Разделив вес жидкости (силу, с которой она давит на дно сосуда) на площадь дна, получим давление жидкости р: F S’ _ pgSh p = ^gh. По этой формуле можно рассчитать давление жидкости на дно сосуда любой формы. Кроме того, по ней можно вычислить давление внутри жидкости и на стенки сосуда, так как давление жидкости на одном уровне одинаково по всем направлениям. 34 Давление жидкости на дно и стенки сосуда равно произведению плотности жидкости, ускорения свободного падения и высоты столба жидкости. Таким образом, путём теоретического вывода мы подтвердили справедливость зависимости, полученной экспериментально. Для этого мы сначала построили модель рассматриваемой ситуации. Мы пренебрегли формой сосуда и рассматривали сосуд правильной формы, считали, что жидкость несжимаема и её плотность одинакова во всем объёме, постоянным считали и ускорение свободного падения. Затем выполнили математические действия с физическими величинами и получили искомую зависимость. 5. На газ, так же как и на жидкость, действует сила тяжести, хотя и значительно меньшая. Поэтому газы тоже оказывают давление, вызванное действием силы тяжести. Если рассматривается столб газа, имеющий незначительную высоту, на которой его плотность можно считать неизменной, то давление может быть вычислено по формуле, приведённой выше. 6. Пример решения задачи Какое давление оказывает вода на рыбу, находящуюся на глубине 10 м? Дано: /г = 10 м р = 1000 кг ^=10^ Решение: Согласно определению, давление столба жидкости равно Р = р=1000 Н . 10 ^ • 10м= 100 000Па= ЮОкПа. М' р-1 Ответ: р = 100 кПа. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. От каких величин зависит давление жидкости на дно и стенки сосуда? Как доказать эту зависимость экспериментально? 2. Выведите формулу для расчёта давления жидкости на дно и стенки сосуда. 35 3. Можно ли по формуле р = pgh рассчитать давление воздуха на дно высохшего колодца глубиной 100 м? Задание 8 Ал 1. Какая модель использовалась при выводе формулы для расчёта давления жидкости на дно и стенки сосуда? Зачем при выводе этой формулы нужно было использовать модель? Является ли полученная формула точной? Когда её можно и когда нельзя применять? Какие ещё модели мы использовали при исследовании физических явлений? 2д. Проделайте опыт. Возьмите пластиковую бутылку, проделайте в ней три одинаковых отверстия на разной высоте, залепите их пластилином. Наполните бутылку водой, поставьте её в раковину или ванну, откройте отверстия и наблюдайте за струйками воды, вытекающей из бутылки. Опишите наблюдаемое явление и объясните его. 3. К стеклянной трубке прижимают дно, вырезанное из плотного картона, с помощью продетой в него нитки (рис. 26). Трубку опускают в сосуд с водой на некоторую глубину, дно плотно прижимается к трубке. Затем в трубку наливают воду. В тот момент, когда уровень воды в трубке совпадёт с уровнем воды в сосуде, дно отпадёт от трубки. Объясните явление. 4. В сосуд налита вода. Чему равно давление воды на дно сосуда, если высота её слоя равна 10 см? 5. Какое давление со стороны воды испытывает подводная лодка, находящаяся на глубине 50 м? Какая сила давления действует на люк в лодке, если его площадь 2 м^? Какое давление будет испытывать подводная лодка на той же глубине с учётом атмосферного давления? КГ Плотность морской воды 1030 — . М’’ 6. Какова сила давления подсолнечного масла на дно бутылки площадью 15 см^, если уровень масла находится на высоте 20 см? Плотность подсолнечного масла 900 ^ . Рис. 26 Работа с компьютером Изучите материа.т урока и выполните предложенное в электронном приложении задание. 36 § 10. Сообщающиеся сосуды / Как рассчитать давление жидкости на дно сосуда? / Какие сосуды являются сообщающимися? 1. Свойство жидкости передавать давление по всем направлениям без изменения позволяет объяснить устройство сообщаю-пдихся сосудов. Два или более сосудов, соединённых между собой, называют сообщающимися сосудами. Примером сообщающихся сосудов может служить жидкостный манометр. Самыми простыми сообщающимися сосудами являются чайник, лейка, кофейник (рис. 27), шлюз. Если взять две стеклянные трубки и соединить их резиновой трубкой (рис. 28, а), то получатся сообщающиеся сосуды. Наливая воду в правую трубку, увидим, что вода будет перетекать и в левую трубку. При этом уровни воды в трубках будут всё время одинаковы. Поднимем правую трубку выше левой (рис. 28, б). Увидим, что относительно верхнего конца правой трубки уровень воды понизится, а относительно верхнего конца левой трубки — повысится. Однако друг относительно друга уровни останутся одинаковыми, т. е. будут лежать в одной и той же горизонтальной плоскости. Наклоним правую трубку, оставив левую в вертикальном положении (рис. 28, в). Вода в правой трубке установится горизонтально и уровни воды в трубках останутся одинаковыми. Если трубки заполнить другой жидкостью, например маслом, керосином или ртутью, то всё равно уровни жидкости в трубках будут одинаковы. В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости всегда устанавливаются на одном уровне. а) 37 Это верно при условии, что давление на поверхность жидкости в обоих сосудах одинаково. Как вы уже знаете, именно по разности уровней жидкости в трубках жидкостного манометра можно судить о значении давления. 2. Объяснить полученный вывод можно следующим образом. Жидкость в сосудах не перемещается, следовательно, значения давления её в сосудах на одном уровне, в том числе и на дно, одинаковы. Жидкость имеет одинаковую плотность, поскольку она однородная. Следовательно, в соответствии с формулой р = pgh высоты жидкости должны быть одинаковы. 3. Изменим условия опыта: в левую трубку нальём воду, а в правую — масло, плотность которого меньше плотности воды. Увидим, что уровень воды в левой трубке будет ниже, чем уровень масла в правой трубке (рис. 29). Это объясняется тем, что давление жидкости на дно сосуда зависит от высоты столба жидкости и от её плотности. При одинаковом давлении чем больше плотность жидкости, тем меньше высота её столба. В данном опыте плотность масла меньше плотности воды, поэтому высота столба масла выше высоты столба воды. Этот вывод можно получить аналитически (используя преобразования формул). Пусть плотность воды Pj, высота столба воды давление столба воды на дно сосуда pj = Плотность масла pg, высота столба масла /Zg, его давление на дно pg = J "" Р2^^2* Поскольку Pi = Pg, то Pi^/^i = Откуда pj/lj = г м Рис. 29 ho = р2^: или Таким образом, жидкости, имеющие разную плотность, устанавливаются в сообщающихся сосудах на разных уровнях; во сколько раз плотность одной жидкости больше плотности другой, во столько раз меньше высота её столба при равенстве давлений. Вопросы для самопроверки 1. Какие сосуды называют сообщающимися? 2. Приведите примеры сообщающихся сосудов. 3. Почему в сообщающихся сосудах уровни однородной жидкости одинаковы, а жидкостей, имеющих разную плотность, различны? 38 4. Каково соотношение между высотами столбов жидкостей разной плотности в сообщаюш;ихся сосудах и их плотностями? Задание 9 1. Объясните принцип работы жидкостного манометра. 2. В одном колене сообщающихся сосудов находится вода, а в другом — ртуть. Чему равна высота столба воды, если высота столба рту- КГ кг ти 2 см? Плотность воды 1000 —= , плотность ртути 13 600 —= . м-* М"^ 3. В одном колене сообщающихся сосудов находится вода, а в другом — керосин. Уровень какой жидкости выше и во сколько раз? КГ Плотность керосина 800 — . м^ § 11. Гидравлическая машина. Гидравлический пресс / в чём заключается закон сообщающихся сосудов? / Дают ли простые механизмы выигрыш в работе? 1. Закон Паскаля находит широкое применение в технике, например в гидравлических машинах. Гидравлические машины — это машины, действие которых основано на законах движения и равновесия жидкостей. Основной частью любой гидравлической машины являются два соединённых между собой цилиндра разного диаметра, снабжённых поршнями (рис. 30). Цилиндры заполнены жидкостью, чаще всего маслом, и представляют собой, таким образом, сообщающиеся сосуды. Рис. 30 39 2. Рассмотрим, как работает гидравлическая машина. Пусть на большой поршень площадью действует сила Fj. Эта сила будет оказывать на поршень давление Давление pj передаётся жидкости, находящейся под большим поршнем. Согласно закону Паскаля, давление, производимое на жидкость или газ, передаётся по всем направлениям без изменения. Следовательно, давление будет передаваться жидкости, находящейся под малым поршнем площадью S2, и на него со стороны жидкости будет действовать давление Pg = Pj. Соответственно на малый поршень со стороны жидкости будет действовать сила Fg =Р2^2‘> направленная вверх. ОткудаР2 ^ • Чтобы жидкость и поршни находились в равновесии, на малый поршень следует подействовать силой F, равной по модулю силе Fg и направленной вертикально вниз. Для этого можно, например, положить на поршень груз. Fi F2 Так как pj =Р2» то — = — или Поскольку для площадей поршней выполняется соотношение S2 < «Sj, то сила F2, действующая на малый поршень, меньше силы Fp действующей на большой поршень. Причём во сколько раз площадь малого поршня меньше площади большого, во столько же раз сила Fo меньше силы F,. Таким образом. гидравлическая машина дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого. Это означает, что с помощью небольшой силы, приложенной к малому поршню гидравлической машины, можно уравновесить существенно большую силу, приложенную к большому поршню. 40 3. Гидравлические машины широко применяются в технике, например в гидравлических подъёмниках, с помощью которых можно поднимать очень тяжёлые тела. Гидравлические прессы используются для обработки материалов, для прессования сена, соломы, для выжимания масла из масличных семян и т. п. 4. Рассмотрим, как работает гидравлический пресс. На рисунке 31 приведена его модель. Гидравлический пресс состоит из двух цилиндров А и Б с соответственно большим и малым поршнями (С и D). Поршень D в цилиндре В приводится в движение рукояткой Е. При движении поршня D вверх открывается клапан 2, и в цилиндр В входит масло из сосуда F. При движении поршня вниз клапан 2 закрывается, открывается клапан 1, и масло из цилиндра В перетекает в цилиндр А. Большой поршень С, поднимаясь вверх, перемещает прикреплённую к нему платформу К, на которую помещают обрабатываемый материал. Материал при этом сдавливается между платформой К и неподвижной платформой G. 5*. Гидравлическая машина, так же как и любой простой механизм, даёт выигрыш в силе, но не даёт выигрыша в работе. Покажем это. Пусть на малый поршень гидравлической машины площадью Sj действует сила под действием которой он перемещается вниз на расстояние (рис. 32). При этом на большой поршень площадью §2 действует сила Fg, и он перемещается вверх на расстояние ^2. 41 При действии силы масло из малого цилиндра перетекло в большой. Очевидно, что объём масла (Fj), ушедшего из малого цилиндра, равен объёму масла (Vg)’ пришедшего в большой цилиндр: = ^2- Объём масла равен произведению площади поперечного сечения цилиндра и расстояния, на которое переместился поршень, т. е. = S^h^, Fg = Н Вытал- киваю- щая сила ^'вых. Н 1 Цилиндри- ческое 2 Кубическое 3 Неправильной формы 53 3. Подвесьте к динамометру на нити тело. Измерьте силу тяжести, действующую на него (вес тела в воздухе). 4. Опустите тело в стакан с водой и измерьте силу упругости пружины (вес тела в воде). 5. Вычислите значение выталкивающей силы: F'^ = Ре- зультаты запишите в таблицу 5. 6. Определите выталкивающую силу, действующую на тела кубической и неправильной формы. Результаты запишите в таблицу 5. 7. Сравните значения выталкивающей силы, полученные для каждого тела двумя способами. Сделайте вывод. Лабораторная работа № 2 Изучение условий плавания тел Цель работы: установить экспериментально, при каких условиях тело тонет, всплывает и плавает. Приборы и материалы: мензурка, весы, разновес, пробирка с пробкой, песок или пшено, стеклянная или деревянная палочка. Порядок выполнения работы 1. Измерьте объём пробирки, плотно закрытой пробкой. Для этого полностью утопите в мензурке пробирку с помощью палочки. 2. Вычислите выталкивающую силу, действующую на пробирку: Рвыт ^ [ плотность воды 1000 ^ j. Результаты измерений и вы- числений запишите в таблицу 6. Таблица 6 Л? опы- та Объём пробирки V, м^ Вытал- киваю- щая сила Масса пробир- ки т, кг Сила тяжес- ти ^тяж. Н Соотно- шение между F выт и F тяж Поведение пробирки в воде 1 Всплы- вает 2 ^ Плавает 54 Окончание табл. 6 1 л? опы- та Объём пробирки V, м^ Выталкивающая сила ^выт. Н Масса пробир- ки т, кг Сила тяжес- ти Н Соотно- шение между F выт ^^тяж Поведение пробирки в воде 3 Тонет 4 Плавает 3. Насыпьте в пробирку немного пшена, плотно закройте её пробкой. С помощью палочки утопите её, а затем отпустите. Пробирка всплывёт. 4. Выньте пробирку, измерьте её массу и вычислите силу тяжести, действующую на пробирку, в этом случае = mg. 5. Сравните выталкивающую силу и силу тяжести. Сделайте вывод. 6. Добавьте в пробирку пшена столько, чтобы она полностью оказалась погружённой в воду, но не тонула, а плавала в ней. 7. Измерьте массу пробирки с пшеном в этом случае, вычислите силу тяжести и сравните её с выталкивающей силой. Сделайте вывод. 8. Полностью заполните пробирку пшеном, измерьте её массу и вычислите действующую на неё силу тяжести. 9. Опустите пробирку в мензурку. Она утонет. Сравните выталкивающую силу и силу тяжести, действующие на пробирку в этом случае. Сделайте вывод. 10. Насыпьте в пробирку столько пшена, чтобы при опускании в воду она плавала и часть её находилась в воде, а часть над поверхностью воды. Измерьте объём той части пробирки, которая находится в воде. Вычислите действующую на неё выталкивающую силу. Измерьте массу пробирки с пшеном и вычислите силу тяжести, действующую на них. Сравните силу тяжести и выталкивающую силу в этом случае. Сделайте вывод. 11. Сделайте общий вывод об условиях плавания тел. Задание 13 1. Используя выводы, сделанные по результатам лабораторной работы № 2, сформулируйте условия плавания лодки. 2. Чему равна выталкивающая сила, действующая на находящееся в воде бревно длиной 2м и площадью поперечного сечения 75 см^? 55 Груз какой массы может удержать бревно и не утонуть? Плотность дерева 480 ^ , плотность воды 1000 ^ . М’’ 3. Может ли лодка, площадь дна которой 4 м^, а высота борта 40 см, выдержать трёх человек и не утонуть, если средняя масса одного человека 60 кг, а масса лодки 150 кг? § 14. Плавание судов. Воздухоплавание / От каких величин зависит выталкивающая сила, действующая на погружённое в жидкость или газ тело? / Каковы условия плавания тел? 1. Проделаем опыт. Возьмём две пластины одинакового размера, вырезанные из жести. Поскольку размер пластин одинаков, равны значения их массы и на них действует одинаковая сила тяжести. Из одной пластины сделаем коробочку и Рис. 42 опустим пластину и коробочку на поверхность воды. Увидим, что пластина утонет, а коробочка будет плавать на поверхности воды (рис. 42). Возникает вопрос: почему пластина тонет, а коробочка плавает? Поведение тела — плавает оно или тонет — зависит от соотнопхения между силой тяжести и выталкивающей силой. В данном случае на пластину и коробочку действует одинаковая сила тяжести, следовательно, на них действует разная выталкивающая сила. Действительно, выталкивающая сила зависит от объёма тела, объём же коробочки больше объёма пластины. Следовательно, на коробочку действует большая выталкивающая сила, и она плавает. Этот опыт позволяет понять, почему плавают суда. 2. Вы уже знаете, что тело плавает, если сила тяжести, действующая на него, равна выталкивающей силе, т. е. весу воды в объёме части тела, погружённой в воду. Соответственно судно плавает в воде, если действующая на него сила тяжести (или вес судна с грузом в воздухе) равна весу воды, вытесненной подводной частью судна. Глубину, на которую судно погружается в воду, называют осадкой. Наибольшая допускаемая осадка судна отмечается линией, называемой ватерлинией. Она показывает предельный уровень, до которого может погрузиться судно в воду при его загрузке. Ватерлиния отмечена на корпусе корабля красным цветом. 56 Вес воды, вытесненной судном при погружении до ватерлинии, называют водоизмещением судна. Водоизмещение позволяет определить, какой максимальный груз может взять судно на борт. Вес этого груза равен разности между водоизмещением и весом судна в воздухе. Эту величину называют грузоподъёмностью судна. 3. Условия плавания тел учитывают в конструкции подводных лодок. Для того чтобы подводная лодка могла всплывать и погружаться в воду, она имеет устройство, позволяющее изменять её массу и соответственно действующую на неё силу тяжести. Это устройство состоит из баллонов, которые могут заполняться наружной водой. При заполнении баллонов действующая на лодку сила тяжести увеличивается и лодка погружается в воду. Когда воду вытесняют из баллонов сжатым воздухом, сила тяжести уменьшается и лодка всплывает. Современные подводные лодки в зависимости от назначения бывают разных размеров. Большие подводные лодки имеют водоизмещение до 12 000 т. Они способны совершать длительные походы, не всплывая. Небольшие подводные лодки используют для научных исследований, отыскания затонувших судов, туризма, спорта и других целей. 4. Вы конечно же видели, как наполненные газом, например гелием, шары поднимаются в воздух. Первые воздушные шары были изобретены в 1783 г. во Франции братьями Монгольфье. Шары наполнялись горячим воздухом. Плотность горячего воздуха меньше, чем холодного, поэтому вес горячего воздуха в воздушном шаре меньше, чем вес вытесненного им холодного воздуха. Однако плотность холодного (при о °С) и горячего воздуха (при 100 °С) различается всего на 27%, поэтому наполненный горячим воздухом шар не может поднять большой груз. Впоследствии предложили наполнять шар водородом, плотность которого в 14 раз меньше плотности воздуха. Такой шар мог поднять груз значительно большей массы. 5. Вес груза, который может поднять воздушный шар, называют его подъёмной силой. Предположим, что воздушный шар, заполненный водородом, плотность которого 0,09 имеет объём 1500 м^, его масса равна 800 кг. На шар и содержащийся в нём водород действует сила тя- 57 жести, равная F _ = 800 кг • 10 ^ + 0,09 ^ • 1500 • 10 ^ = = 9350 Н. Выталкивающая сила, действующая на шар, равна i^BbiT ^ 1,3 ^ • 1500 • 10 ^ = 19 500 Н. Разность между ними F = - -Р^яж ^ Н - 9350 Н = 10 150 Н. Это и есть подъём- ная сила воздущного шара. 6. Воздушные шары, которые запускают в атмосферу Земли, называют аэростатами. Одним из видов аэростатов являются стратостаты. Это шары, которые поднимаются на большие высоты — в стратосферу. Аэростаты и стратостаты используют для исследования атмосферы. В начале XX в. были созданы управляемые воздушные аппараты — дирижабли. Они имеют удлинённую обтекаемую форму, для того чтобы уменьшить сопротивление воздуха при их движении. м Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. На чём основано плавание судов? 2. Что называют осадкой судна? 3. Что такое ватерлиния? 4. Что называют грузоподъёмностью судна? 5. Как можно увеличить грузоподъёмность судна? 6. Что называют подъёмной силой аэростата? Задание 14 1. Почему спасательные пояса часто делают из пробки? 2. При загрузке корабля, площадь дна которого 1500 м^, его осадка увеличилась на 40 см. Чему равна масса груза, помещённого на корабль? 3. Можно ли погрузить на судно водоизмещением 40 000 Н груз массой 3000 кг, если масса судна 2000 кг? 4. Воздушные шары наполнены: один воздухом при температуре 100 °С, другой водородом, третий гелием так, что объём их одинаков. Подъёмная сила какого шара больше? 5. Чему равна подъёмная сила аэростата, заполненного гелием, плотность которого 0,18 ^ , если его объём 600 м^, а масса оболочки и КГ корзины 200 кг? Плотность воздуха 1,3 — . м"* 6. Почему, плавая на спине, легче держаться на воде? 58 § 15. Строение твёрдых тел. Кристаллические и аморфные тела / Каковы свойства твёрдых тел? 1. Окружающие нас твёрдые тела имеют разное строение. Однако можно выделить большую группу твёрдых тел, имеющих правильную геометрическую форму. Такие твёрдые тела называют кристаллами или кристаллическими телами. Вам приходилось наблюдать кристаллы льда, сахара, поваренной соли. На рисунке 43 показано, как выглядят некоторые кристаллы. Правильная внешняя форма кристаллов объясняется тем, что частицы, из которых они состоят, расположены в определённом порядке друг относительно друга, на строго определённом расстоянии друг от друга. Важно, что этот порядок в расположении частиц повторяется. Если мысленно соединить линиями положения равновесия частиц, то получим пространственную кристаллическую решётку. Кристаллическая решётка — присущее кристаллическому веществу правильное, повторяющееся расположение частиц. Примеры кристаллических решёток приведены на рисунках 44, 45. 2. В узлах кристаллической решётки могут находиться атомы, молекулы или ионы. Соответственно существуют атомные, молекулярные и ионные кристаллы. Примером атомного кристалла является кристалл алмаза (см. рис. 44), который состоит из атомов углерода. Кристалл графита (см. рис. 45) тоже состоит из атомов углерода, но имеет другое стро- Природные кристаллы турмалина Рис. 43 Рис. 45 59 ение, поэтому алмаз и графит обладают разными свойствами. Так, алмаз значительно твёрже графита. Кристалл поваренной соли — ионный кристалл. Его кристаллическая решётка состоит из ионов натрия и ионов хлора (см. рис. 17). 3. В природе можно встретить твёрдые тела, состояпдие из одного кристалла. Их называют монокристаллами^. В виде отдельных монокристаллов суш;ествуют поваренная соль, сахарный песок, кварц и др. Значительно чаще твёрдое тело представляет собой множество сросшихся кристаллов. Такие тела называют поликристаллами^. К поликристаллам относятся, например, металлы. 4*. Свойства монокристаллов различны по разным направлениям. Так, пластинка слюды легко расслаивается на тонкие листы вдоль определённого направления. В других направлениях это сделать значительно труднее. Свойства поликристаллов, не подвергнутых специальной обработке, одинаковы по всем направлениям. Различие свойств монокристаллов в разных направлениях связано с их правильным строением. Если в монокристалле выделить несколько направлений и провести прямые, то на них будет располагаться разное число частиц (рис. 46). Соответственно расстояния между частицами и силы взаимодействия между ними в разных направлениях будут различны. Это и приводит к тому, что свойства монокристаллов в разных направлениях неодинаковы. Иное дело — поликристалл. Поскольку он состоит из множества кристаллов, то на прямых, проведённых в разных направлениях, находится одно и то же число частиц (рис. 47). Этим и определяется одинаковость свойств поликристаллов по разным направлениям. 5. Если рассмотреть кусок сахара и леденец, то можно заметить, что их строение различно. Сахар-рафинад имеет кристаллическое строение. Леденец же не имеет такого порядка в строении. В этом случае одно и то же вещество находится в разных состояниях: сахар-рафинад — в кристаллическом, а леденец — в аморфном. К телам, обычно находящимся в аморфном состоянии, относятся стекло, вар, янтарь, многие пластмассы. Аморфное состояние характеризуется отсутствием порядка в расположении частиц. Некоторые свойства аморфных тел такие же, как у кристаллических, другие похожи на свойства жидкостей. ^ «Моно» означает «один». 2 «Поли» означает «много». 60 Так, при резком ударе кусок вара можно расколоть на части. При длительном же воздействии будет проявляться такое его свойство, как текучесть. Если поместить вар в сосуд, то со временем он примет форму сосуда. Строение аморфных тел подобно строению жидкостей: молекулы колеблются около положений равновесия и время от времени совершают перескоки с одного места на другое. Веш;ество может переходить из аморфного состояния в кристаллическое и обратно. Так, если расплавить кусок сахара-рафинада, а потом дать ему возможность застыть, то получится леденец. На его поверхности с течением времени образуются кристаллики сахара. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какие тела называют кристаллическими? Рис. 47 2. Сравните строение кристаллических и аморфных тел. 3. Приведите примеры тел в кристаллическом и аморфном состояниях. 4. Что такое монокристалл; поликристалл? 5. Приведите примеры монокристаллов и поликристаллов и сравните их свойства. 6. Каковы свойства тел в аморфном состоянии? 7*. Чем объясняется различие свойств поликристалла и монокристалла? Ответ поясните. Задание 15 I3. Рассмотрите монокристаллы соли и сахарного песка. Если у вас есть лупа, воспользуйтесь ею. Зарисуйте форму монокристаллов. Сравните монокристалл сахарного песка с куском сахара-рафинада. 2д. Рассмотрите с помощью лупы изломы разных металлов: алюминия, меди, железа. Найдите в них грани мелких кристаллов, составляющих металл. 61 Лабораторная работа № 3* Наблюдение роста кристаллов Цель работы: научиться выращивать кристаллы и наблюдать их рост. Приборы и материалы: химический стакан, насыщенный раствор поваренной соли, насыщенный раствор медного купороса, кристаллы поваренной соли, кристаллы медного купороса, нитки, стеклянная палочка*, микроскоп с предметным и покровным стёклами*. Порядок выполнения работы 1. Привяжите к нитке кристаллик поваренной соли. 2. Опустите кристаллик в насыщенный раствор поваренной соли и наблюдайте в течение трёх дней рост кристалла. 3. Повторите опыт с кристалликом медного купороса. 4. Опишите свои наблюдения. 5*. Дополнительное задание. Нанесите на предметное стекло микроскопа с помощью стеклянной палочки раствор поваренной соли. Поместите стекло под микроскоп, добейтесь необходимой резкости и наблюдайте образование кристаллов. § 16. Деформация твёрдых тел. Виды деформации / Что называют деформацией? / Вспомните закон Гука. 1. Рассмотрим, что может произойти с твёрдым телом, если на него подействовать силой. Возьмём линейку, положим её на две подставки, а сверху поставим груз. Линейка изменит форму под действием приложенной силы — прогнётся (рис. 48). Можно изменить форму пружины или резинового жгута, сжимая их или растягивая. 31 Рис. 48 Изменение формы или объёма тела под действием приложенной к нему силы называют деформацией. 2. Снимем груз с линейки. Она примет прежнюю форму. То же самое произойдёт с пружиной, если перестать её сжимать 62 или растягивать. Таким образом, после прекращения действия силы деформация исчезает. Деформацию, полностью исчезающую после снятия нагрузки, называют упругой. 3. Проделаем другой опыт. Сожмём кусок пластилина. Его форма изменится. После прекращения действия силы пластилин не восстановит первоначальную форму и останется деформированным. Деформацию, которая не исчезает после прекращения действия силы, называют пластической (неупругой). 4. Объясним, почему тела восстанавливают свою форму. Закрепим один конец резинового шнура (рис. 49, а) и будем его растягивать, прикладывая к его другому концу силу F (рис. 49, б). При этом увеличатся расстояния между молекулами резины. Равнодействующей сил взаимодействия между молекулами станет сила притяжения, которая стремится вернуть их в первоначальное положение. Это и есть сила упругости Еупр* После прекращения действия силы шнур примет первоначальную форму и сила упругости исчезнет (рис. 49, в). 5. Деформации, возникающие в теле, могут быть самыми различными. Проще всего их наблюдать с помощью обыкновенного ластика. Возьмём ластик за его концы и растянем. При этом длина ластика увеличится, а ширина уменьшится (рис. 50). Ластик испытывает деформацию растяжения. Чем больше приложенные силы, тем сильнее изменится длина ластика. Деформацию растяжения испытывают тросы, канаты (рис. 51), струны музыкальных инструментов и т. д. а) б) Рис. 49 63 Рис. 52 Рис. 53 Рис. 54 Если сжать ластик, то его длина уменьшится, а ширина увеличится (рис. 52). Это — деформация сжатия. Сжатию подвержены опоры и стены зданий, ножки столов и стульев (рис. 53), столбы, колонны и т. п. Изменение размеров тел при деформациях растяжения и сжатия зависит от значения приложенной силы, от плогцади поперечного сечения тела, от материала, из которого оно сделано. Например, стальная проволока растягивается в два с лишним раза меньше, чем медная, при тех же размерах и нагрузке. 6. Приложим к ластику силы, как показано на рисунке 54: правой рукой потянем за верхнюю часть, а левой — за нижнюю. Форма ластика изменится. Слои сдвинутся друг относительно друга. Произойдёт деформация сдвига. Сдвиг сопровождается одновременно растяжением и сжатием: диагональ АС увеличивается, а диагональ BD уменьшается. Деформация сдвига возникает тогда, когда пытаются сдвинуть тяжёлое тело или тянут его по полу. Например, деформации сдвига подвержены заклёпки, скрепляюш;ие балки в местах опор (рис. 55). 64 Рис. 58 7. Пусть один конец ластика закреплён неподвижно на столе, а на другой действуют две параллельные и противоположно направленные силы и i^2 (рис. 56). Слои ластика повернутся относительно друг друга на некоторый угол. В этом случае имеет место деформация кручения. Деформация кручения возникает при завинчивании гаек (рис. 57), при вращении деталей машин и механизмов и т. д. 8. В опыте (см. рис. 48) линейка прогибалась под действием груза. В этом случае возникала деформация изгиба. Изгиб существует в рельсах железнодорожного пути, в фундаменте зданий, в балках перекрытий и т. д. При изгибе верхний слой материала подвергается сжатию, а нижний — растяжению (рис. 58). Между крайними слоями находится слой, который практически не меняет длину (слой АВ). Он называется нейтральным. Этот слой почти не испытывает деформации. Силы упругости, возникающие в нём, малы. Поэтому в строительстве сплошные стержни заменяют трубами, что позволяет сделать конструкцию более лёгкой, не уменьшая её прочности. Таким образом, различают четыре вида деформаций: растяжение (сжатие), сдвиг, кручение и изгиб. Чаще всего деформация бывает сложной и представляет собой сумму нескольких простых деформаций. Это было видно и из приведённых примеров. Так, сдвиг и изгиб сопровождаются растяжением и сжатием. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что называют деформацией? 2. Приведите примеры деформации тел при действии на них силы. 3. В чём разница между упругой и пластической деформацией? 4. Объясните на основе теории строения вещества природу упругости, 5. Какие виды деформации вам известны? 6. Охарактеризуйте деформацию растяжения, сдвига, изгиба, кручения. 7. Приведите примеры проявления деформаций различного вида. Задание 16 1. Почему динамометр со временем начинает давать неверные показания? 2. В курсе физики 7 класса вы изучали закон, устанавливающий связь между силой упругости и удлинением тела (закон Гука). Вспомните его и определите силу упругости, возникающую в пружи- н не, если её деформация равна 20 см, а жёсткость 10 — . 65 3. Постройте график зависимости силы упругости от удлинения, ес- ли жёсткость резинового жгута 5 — . Определите по графику удлине- м ние жгута, если в нём возникает сила упругости 2 Н. 4. Приведите примеры использования трубчатых конструкций в технике и трубчатого строения в природе. 5. Каким преимущественно деформациям подвергаются: стержень, на котором висит люстра; ножка стола; ключ, открывающий замок; сиденье стула; деталь, обрабатываемая напильником; ввинчиваемый щуруп; забиваемый гвоздь; передвигаемое по полу кресло? Запишите эти примеры в соответствующие графы таблицы 7. Таблица 7 Растяжение Сжатие Сдвиг Кручение Изгиб 6. Какие виды деформации возникают в гайке при её закручивании гаечным ключом? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенный в электронном приложении тест № 2. § 17. Свойства твёрдых тел / в каких случаях в теле возникает упругая деформация? / Чем отличается упругая деформация от пластической? 1. Всевозможные детали машин, инструменты и другие предметы изготовлены из твёрдых материалов. Это связано с тем, что только твёрдые тела имеют определённую собственную форму, которую сохраняют при отсутствии внешних воздействий. Твёрдые тела обладают и такими свойствами, как прочность, упругость, пластичность, хрупкость, твёрдость, и другими, которые учитываются и используются в практике. 2. Твёрдость очень важна для инструментов, деталей машин. Детали машин при работе трутся друг о друга. Если бы они не были достаточно твёрдыми, то на них образовывались бы выбоины. Режущие и давящие инструменты тоже должны быть твёрдыми, иначе они будут менять свою форму, а не форму обрабатываемой де- 66 тали. Твёрдость — важное свойство дорожных покрытий. Если покрытие не будет достаточно твёрдым, то в нём могут образоваться вмятины, что мешает движению. Твёрдость двух тел или веществ можно сравнить, поцарапав их друг о друга. Например, железо царапает медь, но медь не оставляет царапин на железе. Значит, железо твёрже меди. В свою очередь, медь твёрже олова. Самое твёрдое тело — алмаз. Алмазы укрепляют на концах резца (например, стеклореза) и сверла бура для бурения скважин. Если расположить химические элементы и минералы в порядке возрастания их твёрдости, получим следующий ряд: графит — олово — сера — серебро — медь — платина — железо — титан — марганец — опал — вольфрам — топаз — корунд — алмаз. Самой твёрдой древесной породой является железное дерево, за ним следуют граб, ясень, дуб, рябина. Наименьшей твёрдостью обладают тополь и ель. 3. Прочность тела тем выше, чем большие усилия нужно приложить, чтобы его разрушить. Совершенно очевидно, что прочность — одно из важнейших свойств материалов. Во время работы машин возникают силы, которые деформируют детали. Естественно, детали не должны разрушаться. Прочность нужна не только деталям машин и механизмов, но и опорам и перекрытиям зданий, покрытиям дорог и т. д. 4. Способность материала разрушаться характеризуется хрупкостью. Тело является хрупким, если оно разрушается при небольшой деформации. Например, фарфор и стекло — хрупкие материалы. Хрупкость и прочность — взаимоисключающие свойства. Однако не надо думать, что хрупкость всегда вредна. Ведь детали при изготовлении нужно обрабатывать на станках. Это легче сделать, если материал не слишком твёрд и прочен. 5. Упругость и пластичность. Свойство тел восстанавливать свою форму после прекращения действия силы называют упругостью, а сохранять деформацию — пластичностью. Не существует абсолютно упругих и абсолютно пластичных тел. Одно и то же тело может быть упругим при одних условиях и пластичным при других. Так, кусок стали упруг при комнатной температуре: его форму трудно изменить. Если его нагреть, то сталь станет пластичной и ей можно придать любую форму. Проявление упругих и пластичных свойств у многих тел связано с величиной их деформации. Например, при очень малых дефор- 67 мациях даже пластилин может проявлять упругие свойства, а при очень больших — даже стальная пружина может не восстановить свою форму. Во многих случаях необходимо, чтобы материал был упругим. Это важно, например, для деталей машин, которые не должны менять свою форму при тех или иных нагрузках. В других случаях важна пластичность. В частности, обрабатывать легче пластичный материал, чем упругий. Для повышения пластичности материал часто нагревают. В этом случае можно изготовить деталь или другой предмет любой формы. Пластичность глины издавна использовали для изготовления посуды. Предмет, изготовленный из глины, сохраняет свою форму, если его обжечь. Деталь, изготовленная из металла при его пластической обработке, сохранит свою форму, если её охладить. 6. Раньше для изготовления тех или иных изделий человек использовал природные материалы и учитывал их свойства. Получив знания о строении вещества, люди научились создавать материалы с определёнными свойствами. Одним из таких материалов является сталь: сплав железа с углеродом. Используя различные добавки, можно сделать сталь более прочной, более твёрдой или более пластичной. В настоящее время при изготовлении деталей машин всё шире применяют пластмассы. Их пластичность в нагретом состоянии облегчает изготовление деталей, а прочность, твёрдость и долговечность могут быть выше, чем у стальных материалов. Учёные стремятся использовать достоинства как пластмасс, так и других материалов. Поэтому появились различные композиционные материалы. Примером таких материалов являются металлизированные пластмассы. Их получают, покрывая пластмассу металлом. Эти покрытия изменяют свойство пластмасс, делая их более прочными, стойкими к тепловым и механическим воздействиям. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что такое прочность, хрупкость, твёрдость, упругость, пластичность? 2. Приведите примеры использования свойств твёрдых тел в технике. 3. Найдите, используя Интернет, какие ещё композиционные материалы, кроме металлизированных пластмасс, существуют. 68 Темы докладов и проектов 1. Развитие воздухоплавания. 2. Развитие морского транспорта. 3. Управление свойствами твёрдых тел. 4. Создание и применение новых материалов. 5. Изготовление фонтана. 6. Изготовление модели шлюза. 7. Выращивание кристаллов. Основное в главе 1. Во второй главе вы изучили механические свойства жидкостей и газов (вопросы гидро- и аэростатики), а также твёрдых тел и научились их объяснять, используя молекулярно-кинетическую теорию строения вещества. Теория использовалась не только для объяснения свойств агрегатных состояний вещества, но и для их предсказания, а также для вывода зависимостей между величинами, характеризующими изучаемые явления. 2. Основные законы гидро- и аэростатики (табл. 8). Таблица 8 Закон Формулировка Формула Применение Закон Паскаля Давление, производимое на жидкость или газ, передаётся без изменения в каждую точку жидкости или газа Гидравлические машины. Манометры жидкостные Закон сообщающихся сосудов В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне. Жидкости, имеющие разную плотность, устанавливаются на разных уровнях; во сколько раз плотность одной жидкости больше плотности другой, во столько раз меньше высота её столба при равенстве давлений Pi _ ^2 Р2 Манометры жидкост- ные. Гидравлические машины. Шлюзы 69 Окончание табл. 8 Закон Формулировка Формула Применение Давление жидкости на дно и стенки сосуда В условиях Земли жидкости и газы оказывают давление на нижележащие слои, так как на них действует сила тяжести. Следствием этого является существование гидростатического и атмосферного давления p = pgh Закон Архимеда На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая (архимедова) сила, равная весу жидкости в объёме погружённой части тела ^выт=Р^^ Плавание судов. Воздухопла- вание 3. Условия плавания тел (табл. 9). Таблица 9 Соотношение сил тяжести и выталкивающей Состояние тела Сила тяжести больше выталкивающей силы Тонет Сила тяжести равна выталкивающей силе Плавает Сила тяжести меньше выталкивающей силы Всплывает 4. Виды твёрдых тел. 70 5. Деформация — изменение формы или объёма тела под действием приложенной к нему силы. 6. Свойства твёрдых тел. Тепловые явления До настоящего времени вы изучали явления и свойства тел, не связанные с изменением их температуры. Это были механическое движение, механические свойства твёрдых тел, жидкостей и газов. Теперь вы приступаете к изучению нового круга явлений — тепловых. Раздел физики, изучающий тепловые явления, называют термодинамикой. К теп.яовым явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение тел, плавление и испарение и т. п. Вы рассмотрите причины этих явлений и научитесь их объяснять. § 18. Тепловое движение. Температура / Что называют температурой? 1. Вы уже знаете, что все вещества состоят из частиц (молекул, атомов, ионов), которые находятся в непрерывном беспорядочном движении. Интенсивность этого движения связана с температурой тела. Поэтому его называют тепловым. Тепловое движение — непрерывное беспорядочное движение частиц, из которых состоит вещество. 2. При изучении тепловых явлений, обусловленных тепловым движением молекул, вводят такие понятия, как «система», «состояние системы», «параметры состояния» и др. 72 Под термодинамической системой понимают тело или совокупность тел, которые могут обмениваться энергией как между собой, так и с другими телами. Система состоит из большого числа хаотически движуш;ихся частиц. Тела, составляющие систему, могут находиться в твёрдом, жидком, газообразном состоянии или в нескольких состояниях одновременно (например, лёд в стакане с водой). В зависимости от внешних условий одна и та же система может иметь различные свойства или находиться в различных состояниях. Так, газ может быть сжат сильнее и слабее, тело может быть холодным или горячим и т. п. Состояние системы характеризуют давление, объём, температура. Эти величины называют параметрами состояния. 3. Возможно такое состояние системы, при котором параметры, характеризующие его, остаются неизменными сколь угодно долго при отсутствии внешних воздействий. Это состояние называют тепловым равновесием. Так, например, объём, температура и давление жидкости в сосуде, находящейся в тепловом равновесии с воздухом в комнате, не изменяются, если для этого не будет каких-либо внешних причин. Конечно, если в комнате температура воздуха 20 °С, а на улице -10 °С и вы откроете окно, то внешние условия изменятся и параметры состояния жидкости в сосуде тоже будут изменяться. Однако с течением времени опять установится тепловое равновесие (если не будет других изменений), и параметры состояния изменяться не будут. 4. Если опустить в стакан с горячим чаем металлическую ложку, то ложка будет нагреваться, а чай — остывать. Это будет происходить до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие, при котором температура ложки и чая станет одинаковой. В любом случае, если взять два различно нагретых тела и привести их в соприкосновение, то более нагретое тело будет остывать, а более холодное — нагреваться. Через некоторое время система, состоящая из этих двух тел, придёт в тепловое равновесие, и температура этих тел станет одинаковой. Из приведённого примера видно, что температура — это параметр, характеризующий состояние теплового равновесия системы. Особенностью его является то, что значение температуры во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, одинаково. Так, одинаковой станет температура предмета, внесён- 73 ного в комнату, и воздуха в ней, когда они придут в тепловое равновесие. 5. Температуру измеряют термометром. Действие термометра основано на зависимости свойств тел от температуры. Вам хорошо известно, что тела при нагревании расширяются. На зависимости объёма тела от температуры основано устройство самых распространённых термометров. В термометрах могут быть использованы разные тела: и жидкие (спирт, ртуть), и твёрдые (металлы), и газообразные. Их называют термометрическими телами. Термометрическое тело (чаще всего жидкость или газ) помещают в специальный сосуд и приводят в соприкосновение с телом, температуру которого хотят измерить. Для того чтобы с помощью термометра можно было проводить измерения, он должен иметь шкалу. При её построении выбирают две основные {реперные^ опорные) точки, которым приписывают определённые значения температуры, и интервал между ними делят на несколько равных частей. Значение каждой части соответствует единице температуры по данной шкале. 6. Существуют разные температурные шкалы. Одной из наиболее распространённых в практике и хорошо известных вам шкал является шкала Цельсия. Основными точками этой шкалы служат температура таяния льда и температура кипения воды. Первой точке приписалр! значение О °С, а второй — 100 °С. Расстояние между этими точками разделили на 100 равных частей и получили шкалу Цельсия. За единицу температуры по этой шкале принят 1 °С. 7*. Понятно, что, выбирая в качестве основных разные точки и деля расстояние между ними на разное число частей, можно получить разные температурные шкалы. Так, в Америке и Англии до сих пор применяют термометры со шкалой Фаренгейта. За 0° в этой шкале Фаренгейт принял температуру самой холодной зимы в Голландии в 1709 г. Такую температуру имела составленная им смесь льда с нашатырём или поваренной солью. Вторую точку он получил, погружая термометр в смесь льда и воды. Расстояние между этими точками он разделил на 32 части. Таким образом, по этой шкале вода замерзает при 32 °F. Свою шкалу Фаренгейт проверял, измеряя температуру человеческого тела. Новую точку, соответствующую нормальной температуре тела, он обозначил 98 °F. Позже он ввёл четвёртую точку — температуру кипения воды, которая равна 212 °F. 74 Абсолютная (термодина- мическая) 373 К Цельсия 273 К 100 °С, _ о "С -18 °С. Фаренгейта 212 °F 32 °F 0°F Реомюра 80 °R 0°R OK -273 °Ci -459 °Fi Puc. 59 Bo Франции использовалась шкала Реомюра, предложенная в 1730 г. Основные точки этой шкалы— температура таяния льда (0 °R) и температура кипения воды (80 °R). Наиболее распространённые температурные шкалы приведены на рисунке 59. 8. Рассмотренные шкалы, в том числе и шкала Цельсия, имеют ряд недостатков. Во-первых, основные их точки не являются неизменными. Так, температура кипения воды может не быть равной 100 °С. Вода может кипеть и при более высокой и при более низкой температуре. Это определяется многими факторами: значением атмосферного давления, наличием примесей и т. п. То же относится и к температуре, при которой тает лёд. Во-вторых, используя в термометрах свойство теплового расширения, мы полагаем, что объём жидкости меняется одинаково (равномерно) на сколь угодно большом температурном интервале. На самом деле это не так. Причём у разных веш;еств эта неравномерность проявляется в разной степени. 9. В связи с этим возникает задача выбора такого термометрического тела, объём которого изменялся бы с изменением температуры равномерно на достаточно большом интервале температур. Таким телом является идеальный газ. Основное свойство идеального газа, важное для построения шкалы, — это равномерное изменение объёма в зависимости от температуры в пределах всей шкалы. 75 Температурная шкала термометра, термометрическим телом в котором является идеальный газ, называется абсолютной (термодинамической) шкалой температур. За нуль по этой шкале принята температура -273 °С (точнее, -273,15 °С). Эта температура названа абсолютным нулём температур и обозначается О К. Единицей температуры по абсолютной шкале является кельвин (1 К). Один кельвин равен одному градусу Цельсия: 1 К = 1 °С. Соответственно температура таяния льда по абсолютной шкале температур равна 273 К (273,15 К), а температура кипения воды — 373 К (373,15 К). Температуру по абсолютной шкале обозначают буквой Т. Связь между температурой по абсолютной шкале (Т) и температурой по шкале Цельсия (t) выражается формулой T = t + 273. Вопросы для самопроверки 1. Какое движение называют тепловым? 2. Какие параметры состояния вы знаете? 3. Приведите примеры систем, находящихся в состоянии теплового равновесия, и систем, в тепловом равновесии не находящихся. 4. Какова особенность температуры как параметра состояния системы? 5. Какое свойство тел положено в основу измерения температуры? 6. Как строится щкала Цельсия? 7. Почему абсолютная шкала температур наиболее точная среди всех рассмотренных в параграфе шкал? 8. Какова связь между температурой по шкале Цельсия и по абсолютной шкале? Задание 17 1. Находится ли пламя костра в тепловом равновесии с окружающим воздухом? 2. Что можно сказать о параметрах состояния системы, находящейся в тепловом равновесии? Поясните на примере. 3. Температура воздуха 27 °С. Каково значение температуры воздуха по абсолютной щкале? 4. Какова нормальная температура тела человека по абсолютной шкале? 5. Температура воздуха равна 293 К. Чему равна эта температура в градусах Цельсия? 76 § 19. Внутренняя энергия / Какую энергию называют кинетической; потенциальной? / Приведите примеры, когда тело, обладающее кинетической (потенциальной) энергией, совершает работу. 1. Как вы уже знаете, существует два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией обладает любое движущееся тело; она зависит от массы тела и его скорости. Потенциальная энергия определяется взаимным расположением взаимодействующих между собой тел. Потенциальная энергия тела, поднятого над землёй, зависит от его массы и расстояния между телом и землёй. Если тело обладает энергией, то оно может совершить работу. При совершении работы энергия тела изменяется. Значение работы равно изменению энергии тела. 2. Проделаем опыт. Возьмём толстостенный стеклянный сосуд, дно которого покрыто водой, закроем его пробкой с пропущенной через неё трубкой. Вода в сосуде будет испаряться, и в воздухе, находящемся в нём, будет присутствовать водяной пар. Соединим трубку с насосом и начнём накачивать в сосуд воздух. Через некоторое время пробка из сосуда вылетит и в нём образуется туман (рис. 60). Туман — это превратившийся в воду водяной пар. Такое превращение происходит при понижении температуры. Следовательно, температура воздуха в сосуде понизилась. Возникает вопрос: почему это произошло? 3. Пробка вылетела из сосуда, потому что находившийся в нём воздух действовал на пробку с определённой силой и, выталкивая её, совершил работу. Вы знаете, что работу тело может совершить, если оно обладает энергией. Следовательно, воздух в сосуде обладал энергией. При совершении воздухом работы понизилась его температура, изменилось его состояние. Механическая энергия воздуха при этом не изменилась: в момент вылета пробки не изменились ни его скорость, ни его положение относительно Земли. Следовательно, работа была совершена не за счёт механической, а за счёт какой-то другой энергии. Эта энергия — внутренняя энергия воздуха, находящегося в сосуде. 77 4. Что же такое внутренняя энергия тела? Вы знаете, что все тела состоят из частиц, которые находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействуют друг с другом. Поскольку частицы находятся в движении, они обладают кинетической энергией, а так как они взаимодействуют друг с другом, то обладают и потенциальной энергией. Внутренней энергией тела называют сумму кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит тело, и потенциальной энергии их взаимодействия. Внутреннюю энергию обозначают буквой U. Единицей внутренней энергии является джоуль (1 Дж). 5. Выясним, от чего зависит внутренняя энергия тела. Вы уже знаете, что, чем выше температура тела, тем больше скорости движения молекул. Чем больше скорость движения молекул, тем больше их кинетическая энергия, следовательно, внутренняя энергия зависит от температуры тела. Чтобы перевести вещество из жидкого состояния в газообразное, например, чтобы превратить воду в пар при температуре кипения, нужно подвести к ней энергию. Следовательно, пар будет обладать большей внутренней энергией, чем вода той же массы. Таким образом, внутренняя энергия тела при неизменной массе зависит от его агрегатного состояния. Так как масса тела равна сумме масс составляющих его частиц, то внутренняя энергия зависит и от массы тела. Внутренняя энергия тела не зависит от его механического движения и от его взаимодействия с другими телами. Так, внутренняя энергия мяча, лежащего на столе и на полу, одинакова, так же как и мяча, неподвижного и катящегося по полу (если, конечно, пренебречь сопротивлением его движению). 6. Значение внутренней энергии в больщинстве случаев вычислить трудно, поскольку каждое тело состоит из огромного числа частиц. Однако нас чаще интересует не само значение внутренней энергии, а его изменение, и о нём можно судить, в частности, по значению совершенной работы. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какую энергию называют внутренней? 2. От чего зависит внутренняя энергия тела? 3. От чего не зависит внутренняя энергия тела? 78 4. Как доказать, что тела обладают внутренней энергией? 5. За счёт чего совершил работу воздух, находящийся в сосуде, в опыте, описанном в тексте параграфа? Какие изменения происходили с воздухом? Задание 18 1. Как будет изменяться внутренняя энергия воды в чайнике, поставленном на включённую плиту? 2. Опишите какое-либо явление, доказывающее, что тела обладают внутренней энергией. З3. Придумайте и проведите опыт, доказывающий, что тела обладают внутренней энергией. § 20. Способы изменения внутренней энергии / Что называют механической работой? / Как связаны внутренняя энергия и температура тела? 1. Вы уже знаете, что внутренняя энергия тела зависит от его температуры. Чем выше температура тела, тем больше внутренняя энергия. И наоборот, чем ниже температура тела, тем внутренняя энергия меньше. Значит, по изменению температуры тела можно судить об изменении его внутренней энергии. Рассмотрим способы изменения внутренней энергии тела. В рассмотренном в предыдущем параграфе опыте (см. рис. 60) внутренняя энергия смеси воздуха и паров воды в сосуде уменьшалась при совершении ею работы по выталкиванию пробки. Температура смеси при этом понижалась, о чём свидетельствовало появление тумана. Можно проделать другой опыт. Если по куску свинца несколько раз ударить молотком, то даже на ощупь можно определить, что кусок свинца нагреется. Следовательно, его внутренняя энергия, так же как и внутренняя энергия молотка, увеличилась. Это произошло потому, что была совершена работа над куском свинца. Таким образом, внутренняя энергия тела изменяется при совершении работы. При этом если тело само совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается, а если над ним совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается. Мерой изменения внутренней энергии тела в процессе совершения работы является величина работы А. 79 2. Вновь обратимся к примеру с металлической ложкой, опущенной в горячий чай. С такой ситуацией вы в жизни сталкиваетесь постоянно и хорошо знаете, что ложка через некоторое время тоже становится горячей. В этом случае работа не совершается, однако внутренняя энергия ложки увеличивается, о чём и свидетельствует повышение её температуры. Поскольку вначале температура воды выше, чем температура ложки, то и средняя скорость молекул воды больше. А это значит, что молекулы воды обладают большей кинетической энергией, чем частицы металла, из которого сделана ложка. При столкновениях с частицами металла молекулы воды передают им часть своей энергии, и кинетическая энергия частиц металла увеличивается. Кинетическая энергия молекул воды при этом уменьшается. В рассмотренном примере внутренняя энергия тел изменяется путём теплопередачи. Теплопередачей называют способ изменения внутренней энергии тела, при котором энергия передаётся от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Таким образом, возможны два способа изменения внутренней энергии: совершение работы и теплопередача . 3*. Вычислим работу, которая совершается газом при расширении. Пусть сжатый газ находится под поршнем в горизонтально расположенном цилиндре (рис. 61). Если предоставить поршню свободу, то газ начнёт расширяться. При малом перемещении поршня можно считать, что давление газа при этом не изменяется. При расширении газа поршень перемещается на расстояние А/ = = I — Iq под действием силы давления F. Работа, которую совершает газ, равна: А = FAL При этом считаем, что сила F постоянна. Сила давления F газа на поршень равна произведению давления газа р и площади поршня S, т. е. F = pS. Тогда А = pSAl. Произведение SAI — изменение объёма газа: AV= SAL. Отсюда работа расширения газа при постоянном давлении равна произведению его давления и изменения объёма: А = pAV. Рис. 61 80 Вопросы для самопроверки 1. Назовите способы изменения внутренней энергии тела. 2. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела при совершении работы. 3. Как изменяется внутренняя энергия тела, когда оно совершает работу и когда над ним совершают работу? Теплообмен с окружаюш;и-ми телами при этом отсутствует. 4. Что происходит со спичкой при трении её о коробок? Меняется ли при этом её внутренняя энергия? 5. Что называют теплопередачей? 6. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела путём теплопередачи. 7*. Чему равна работа газа при постоянном давлении? Задание 19 1. Объясните процесс теплопередачи на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества. 2д. Придумайте и проведите эксперимент, в котором внутренняя энергия тела из.меняется при совершении работы. 3. Может ли внутренняя энергия газа остаться неизменной, если имеют место оба способа её изменения — теплопередача и совершение работы? 4*. Какую работу совершит газ при расширении, если давление газа 2 • 10^ Па, а его объём изменился на 3 дм®? 5*. Газ, расширяясь, передвинул поршень площадью 0,4 см® на 20 см. Какую работу совершил газ, если его давление равно 3 • 105 Па? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном приложении задания. § 21. Теплопроводность / Каковы особенности строения газов, жидкостей и твёрдых тел? / Что происходит с внутренней энергией тела при теплопередаче? 1. Вы уже знаете, что внутреннюю энергию системы можно изменить путём теплопередачи. Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Начнём их рассмотрение с теплопроводности. Проделаем опыт. К металлическому стержню с помощью воска прикрепим несколько кнопок (рис. 62). Один конец стержня закре- 81 ■Т"Т Т I'l Рис. 62 пим в штативе, а другой будем нагревать в пламени спиртовки. Через некоторое время увидим, что кнопки начнут отпадать от стержня: сначала та кнопка, которая ближе к пламени, затем следующая и т. д. Поскольку кнопки отпадали не одновременно, то можно сделать вывод, что температура стержня повышалась постепенно. Следовательно, постепенно увеличивалась и внутренняя энергия стержня, она передавалась от одного его конца к другому. 2. Механизм передачи энергии при теплопроводности можно объяснить следующим образом. Частицы металла ближнего к пламени конца стержня получают от него энергию, их кинетическая энергия увеличивается, они начинают более интенсивно колебаться. Так как частицы взаимодействуют друг с другом, то они передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь, передают энергию своим соседям, и процесс передачи энергии распространяется по всему стержню. Увеличение кинетической энергии частиц приводит к повышению температуры стержня. Важно, что при теплопроводности не происходит перемеи^ения вещества от одного тела к другому или от одной части тела к другой^ но при этом передаётся энергия. Процесс передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой благодаря тепловому движению и взаимодействию частиц называют теплопроводностью. 3. Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Для того чтобы выяснить, хорошей ли теплопроводностью обладают жидкости, проделаем опыт. Заполним пробирку водой и на дно её положим кусочек льда (рис. 63). Чтобы лёд не всплывал, прикрепим к нему какой-либо металлический предмет. Будем нагревать верхнюю часть пробирки в пламени спиртовки. Через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью. 4. Выясним, какой теплопроводностью обладают газы. Проделаем с этой целью опыт. Возьмём сухую пробирку, в которой 82 пар нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки (рис. 64). Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладают плохой теплопроводностью. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, наименьшей — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел. 5. Разная теплопроводность веществ учитывается в быту, в промышленности. Так, посуда, в которой готовят пищу, должна обладать хорошей теплопроводностью, чтобы передавать энергию от источника (газовой горелки, электрической плиты) к пище. Она обычно делается металлической. Посуду, из которой едят, наоборот, делают из материалов, имеющих плохую теплопроводность: из стекла, глины, пластмассы. Для того чтобы можно было взять горячую кастрюлю или сковородку, их ручки изготавливают из дерева или других материалов, обладающих плохой теплопроводностью. Материалы с малой теплопроводностью, такие как дерево, кирпич, железобетон (соединение бетона и стальной арматуры), используют для строительства домов. Это пористые материалы, в порах которых содержится воздух, обладающий плохой теплопроводностью. Плохой теплопроводностью обладает снег. Исследования его свойств показали, что слой снега толщиной 16 см очень хорошо защищает землю: за 5 дней при температуре -1,4 °С она промерзает на 2 см. Почва же, не защищённая слоем снега, промерзала на 30 см. 83 Вопросы для самопроверки 1. Какой вид теплопередачи называют теплопроводностью? 2. Приведите примеры теплопередачи путём теплопроводности. 3. Каков механизм теплопроводности? 4. Сравните теплопроводность газов, жидкостей и твёрдых тел и объясните причину её различия. Задание 20 I3. Придумайте и проведите опыт, в котором наблюдается явление теплопроводности воды и воздуха. Соблюдайте осторожность при работе с огнём. 2. Почему оконные рамы делают двойными? 3. Приведите примеры учёта теплопроводности в жизни. 4. Почему ручку чайника делают из пластмассы? 5. В каком случае быстрее растает лёд: если в комнате его положить на открытом месте или накрыть шубой? 6. Почему некоторые овощи и злаки, посаженные под зиму и давшие всходы, хорошо сохраняются в снежную зиму и вымерзают при отсутствии снега? § 22. Конвекция / Каковы способы изменения внутренней энергии тела? 1. Как вы знаете, газы и жидкости обладают плохой теплопроводностью. Возникает вопрос: почему же нагревается воздух от батарей водяного отопления, почему нагревается вода в кастрюле, поставленной на включённую плиту? Чтобы на него ответить, проделаем опыт. Нальём в колбу воду и аккуратно опустим на дно несколько кристалликов марганцовки (рис. 65). Будем нагревать колбу снизу так, чтобы пламя касалось её в том месте, где лежат кристаллики. Можно заметить, что со дна колбы будут подниматься окрашенные струйки воды. Достигнув верхних слоёв воды, эти струйки начнут опускаться. Это явление можно объяснить следующим образом. Нижний слой воды нагревается от пламени спиртовки. Нагреваясь, вода расширяется, её объём увеличивается, а плотность соот-Рис.65 ветственно уменьшается. На этот слой воды 84 действует архимедова сила, которая выталкивает нагретый слой жидкости вверх. Его место занимает опустившийся вниз холодный слой воды, который, в свою очередь нагреваясь, перемещается вверх и т. д. Следовательно, энергия в данном случае переносится поднимающимися потоками жидкости. 2. Подобным образом осуществляется теплопередача и в газах. Сделаем из бумаги вертушку и поместим её над электрической лампочкой, включённой в сеть (рис. 66). Вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые от лампочки менее плотные слои воздуха под действием архимедовой силы поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз и занимают их место. Поднимающиеся слои нагретого воздуха и приводят к вращению вертушки. В проведённых опытах мы наблюдали ещё один вид теплопередачи — конвекцию. Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся потоками жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит. 3. Основную роль в образовании в атмосфере потоков воздуха — ветров — играет конвекция. На берегу водоёмов в жаркий летний день вода нагревается солнцем медленнее, чем суша. Соответственно воздух над сушей нагревается сильнее, чем над водой, его плотность уменьшается, уменьшается и давление: над сушей оно меньше, чем над водой. Поэтому холодный воздух перемещается с водоёма на сушу, т. е. дует ветер. Ночью, наоборот, суша охлаждается быстрее, чем вода, и над сушей воздух холоднее, чем над водоёмом, — ветер дует от суши к водоёму. Эти ветры называют соответственно дневным и ночным бризами. Рис. 66 Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какой вид теплопередачи называют конвекцией? 2. Приведите примеры конвекции. 3. Как происходит нагревание воды в чайнике? 85 4. Почему конвекция не происходит в твёрдых телах? 5. Сравните механизм конвекции и теплопроводности. Задание 21 I3. Придумайте и проведите опыт по наблюдению конвекции в жидкостях и газах. 2. Объясните, почему отопительные приборы устанавливают на полу (или около пола) и как происходит процесс нагревания от них воздуха в комнате. 3. Почему форточки для проветривания комнат помещают в верхней части окна? 4. Почему в тихую морозную погоду дым, выходящий из труб, поднимается вертикально вверх? 5д. Подготовьте сообщение об использовании и учёте конвекции в быту и технике, используя различные источники информации, в том числе Интернет. § 23. Излучение / Какова теплопроводность газов по сравнению с теплопроводностью твёрдых тел? 1. Вам хорошо известно, что Солнце является источником тепла на Земле. Возникает вопрос: как энергия передаётся от Солнца к Земле? Поскольку в пространстве между Солнцем и Землёй нет воздуха (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни конвекцией, ни теплопроводностью. Передача энергии в этом случае осуществляется путём излучения. Рассмотрим этот вид теплопередачи. 2. Все нагретые тела излучают энергию. Поднеся руку сбоку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампе или к батарее отоп.дения, вы ощутите тепло. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает. Проделаем опыт. Возьмём теплоприёмник — металлическую коробочку, одна сторона которой блестящая, а другая покрыта чёрной матовой краской. Внутри коробочки находится воздух. Соединим теплоприёмник с манометром (рис. 67). Нальём в сосуд, у которого одна поверхность белая, а другая чёрная, кипяток. Повернём сосуд к чёрной стороне теплоприёмника сначала белой стороной, а затем чёрной. Уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится. При этом он сильнее понизится, когда сосуд обращён к теплоприёмнику чёрной стороной. 86 Рис. 67 Понижение уровня жидкости в манометре происходит из-за нагревания и расширения воздуха в теплоприёмнике. Следовательно, воздух, получая от сосуда с горячей водой энергию, нагревается. Поскольку воздух обладает плохой теплопроводностью, то за счёт этого вида теплопередачи воздух в теплоприёмнике нагреваться не может. Не нагревается он и за счёт конвекции, так как сосуд и теп-лоприёмник располагаются на одном уровне. Следовательно, остаётся признать, что сосуд с горячей водой излучает энергию. Опыт также показывает, что чёрная поверхность сосуда излучает больше энергии, чем белая. Об этом свидетельствует разный уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником. 3. Оказывается, что чёрная поверхность не только излучает больше энергии, но и больше поглощает. Это можно доказать экспериментально. Поднесём включённую в сеть электроплитку сначала к блестяш;ей стороне теплоприёмника, а затем к чёрной (рис. 68). 87 Рис. 69 Заметим, что во втором случае жидкость в колене манометра, соединённом с тепло-приёмником, опустится ниже, чем в первом. Таким образом, тела с тёмной поверхностью хорошо поглощают и излучают энергию, а тела с белой или блестящей поверхностью плохо излучают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому летом носят светлую одежду, дома на юге предпочитают красить в белый цвет. В последнее время для приготовления пищи применяют блестящую металлическую посуду. В такой посуде пища долго не остывает. 4. Вам хорошо известен такой бытовой прибор, как термос. Его используют для сохранения пищи и напитков горячими. При необходимости термос можно использовать и для сохранения пищи при температуре ниже температуры окружающей среды. Термос представляет собой стеклянный сосуд с двойными стенками (рис. 69). Воздух между стенками откачан, а внутренняя и внешняя поверхности сосуда покрыты блестящим слоем металла. Поскольку воздуха между стенками сосуда нет, то отсутствует как конвекция, так и теплопроводность. Из-за блестящего покрытия стенки сосуда энергию отражают, поэтому она не передаётся и излучением. Стеклянный сосуд термоса помещают в пластмассовый или металлический корпус, чтобы защитить от повреждений, и закрывают пробкой. 5. Температура поверхностного слоя почвы и нижних слоёв воздуха имеет большое значение для развития растений. Например, для выращивания ранних овощей используют парники. Парник делают из стеклянных рам или полиэтиленовой плёнки. Стекло и полиэтилен хорошо пропускают солнечное излучение, которое попадает на почву, поглощается ею и нагревает её. Конвекция происходит лишь внутри парника, за его пределы воздух не выходит, поэтому в парнике поддерживается температура почвы примерно на 10 °С выше, чем у незащищённого грунта. 6. Все живые организмы очень чувствительны к изменениям температуры, влияние которой на активность и длительность их жизни исключительно велико. Поглощение солнечных лучей позволяет некоторым организмам поддерживать температуру тела выше, чем температура окружающей среды, и сохранять её на 88 определённом уровне. Так, насекомые, обитающие в полярных областях и высокогорных районах, имеют тёмную окраску и потому хорошо поглощают солнечные лучи. У некоторых земноводных и пресмыкающихся имеются окрашенные (пигментные) клетки, которые регулируют теплообмен. Когда эти пятна малы, кожа светлая и она отражает солнечные лучи. При расширении пятен кожа темнеет и сильнее поглощает солнечные лучи, температура тела повышается. Как только температура тела животного достигает наиболее подходящего для него значения, пигментные клетки сжимаются и поступление энергии прекращается. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Приведите примеры теплопередачи путём излучения. 2. Сравните излучение и поглощение энергии светлыми и тёмными поверхностями тел. 3. Как устроен термос? 4. Как регулируется теплообмен у некоторых живых организмов? Задание 22 1. Какой снег на открытой поверхности тает быстрее — чистый или грязный? 2. Два одинаковых термометра выставлены на солнце. Шарик одного из них закопчён, а другого нет. Одинаковую ли температуру покажут термометры? 3. Почему самая высокая температура воздуха не в полдень, а после полудня? 4. Является ли правильным утверждение: «Лёд не излучает энергию, потому что его температура ниже О °С»? Ответ обоснуйте. 5д. Подготовьте сообщение о применении и учёте теплопередачи путём излучения в быту и технике, используя различные источники информации, в том числе Интернет. § 24. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость вещества у Что называют теплопередачей? / Какие существуют виды теплопередачи? 1. Вы знаете, что возможны два способа изменения внутренней энергии тела: совершение работы и теплопередача. Мерой изменения внутренней энергии при совершении работы является величина работы. Возникает вопрос: какая величина характеризу- 89 ет изменение внутренней энергии тела при теплопередаче, является его мерой? Эту величину называют количеством теплоты. Количеством теплоты называют физическую величину, равную изменению внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы. Количество теплоты обозначают буквой Q. Единицей количества теплоты, как и любого вида энергии, является джоуль (1 Дж). При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается. 2. Выясним, от чего зависит количество теплоты. Если взять два одинаковых сосуда, в один из них налить 200 г воды, а в другой 800 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество теплоты требуется ему для нагревания. При охлаждении тело большей массы отдаёт большее количество теплоты. Разумеется, что в данном случае речь идёт о телах из одного и того же вепдества и нагреваются они или охлаждаются на одно и то же число градусов. Следовательно, количество теплоты, необходимое для нагревания тела, пропорционально его массе: Q ~ т. 3. Теперь предположим, что мы будем нагревать на одинаковых горелках в одном сосуде 200 г воды от 20 до 50 °С, т. е. на 30 °С, а в другом таком же сосуде 200 г воды от 20 до 100 °С, т. е. на 80 °С. В первом случае на нагревание уйдёт меньше времени, чем во втором. Следовательно, количество теплоты, которое мы затратим на нагревание воды на 30 °С, меньше, чем количество теплоты, необходимое для нагревания воды на 80 °С. Таким образом, количество теплоты прямо пропорционально изменению температуры. В данном случае конечная температура больше начальной температуры поэтому изменение температуры равно ig ~ ^i- Тогда При охлаждении тела конечная температура меньше начальной температуры поэтому изменение температуры будет равно 12- 4. Нальём в один сосуд 200 г воды. В другой такой же сосуд нальём немного воды и положим в него такое металлическое тело, чтобы общая масса тела и воды была равна 200 г. Убедимся, что на- 90 чальная температура в обоих сосудах одинакова. Будем нагревать сосуды на одинаковых горелках. Через некоторое время измерим температуру. В сосуде, в котором находится только вода, температура будет ниже, чем в том, где были вода и металлическое тело. Следовательно, чтобы температура содержимого в обоих сосудах была одинаковой, воде нужно передать большее количество теплоты, чем воде и металлическому телу. Таким образом, количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества, из которого это тело сделано. 5. Зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода веш,ества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества. Удельной теплоёмкостью вещества называют физическую величину, равную количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты тело массой 1 кг отдаёт при охлаждении на 1 °С (или на 1 К). Удельная теплоёмкость обозначается буквой с. Единицей удель- Дж м Дж или 1 ной теплоёмкости является 1 кг • ®С кг • К Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Некоторые из них приведены в таблице 10. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, самую маленькую удельную теплоёмкость из приведённых в таблице 10 веществ имеет золото. Таблица 10 Удельная теплоёмкость некоторых веществ. Дж кг Золото 130 Стекло 840 Свинец 140 лабораторное Олово 230 Кирпич 880 Серебро 250 Алюминий 920 Медь 400 Масло подсолнечное 1700 Цинк 400 Лёд 2100 Латунь 400 Керосин 2100 Железо 460 Эфир 2350 Сталь 500 Дерево (дуб) 2400 Чугун 540 Спирт 2500 Графит 750 Вода 4200 91 Удельная теплоёмкость воды 4200 Дж . Это значит, что для кг • °С нагревания 1 кг воды на 1 °С необходимо количество теплоты, равное 4200 Дж. При охлаждении 1 кг воды на 1 °С выделится количество теплоты, равное 4200 Дж. Поскольку количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия вещества массой 1 кг при изменении его температуры на 1 °С. В частности, внутренняя энергия 1 кг воды при её нагревании на 1 °С увеличивается на 4200 Дж, а при охлаждении на 1 °С — уменьшается на 4200 Дж. 6. Если для нагревания 1 кг воды на 1 °С необходимо затратить количество теплоты 4200 Дж, то для нагревания 2 кг воды — в 2 раза больше, т. е. 8400 Дж. Если же эти 2 кг воды будем нагревать не на 1 °С, а, например, на 10 °С, то необходимо количество теплоты в 10 раз большее, т. е. 84 000 Дж, или 84 кДж. Таким образом, чтобы рассчитать количество теплоты Q, необходимое для нагревания тела массой т от температуры до температуры fg. необходимо удельную теплоёмкость вещества с умножить на массу тела и на разность конечной и начальной температур'. Q = cm(t2- ii)- По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае мы будем из начальной температуры вычитать конечную, т. е. из большего значения температуры вычитать меньшее. 7. Пример решения задачи В сосуд, содержащий 200 г воды при температуре 80 °С, налили 100 г воды при температуре 20 °С. После смешивания воды в сосуде установилась температура 60 °С. Какое количество теплоты получила холодная вода при нагревании и отдала горячая вода при охлаждении? При решении задачи необходимо выполнять следующую последовательность действий: 1) записать кратко условие задачи; 2) перевести значения величин в СИ; 3) проанализировать задачу: установить, какие тела участвуют в теплообмене, какие тела отдают 92 энергию, а какие получают; 4) решить задачу в обш;ем виде; 5) выполнить вычисления; 6) проанализировать полученный ответ. 1.Дано\ = 200 г = 80 °С 7712 ^ ^ t2 = 20 °С ^ = 60 °с Cj = Cg = 4200 Дж кг • °С Qi-? Q2-? 2. СИ S. Анализ задачи: 0,2 кг В задаче описан процесс теплообмена между горячей и холод-0,1 кг ной водой. В данном случае будем считать, что в теплообмене участвуют только эти два тела, а теплообменом с окружающей средой (сосудом, воздухом) можно пренебречь. Горячая вода отдаёт количество теплоты Qj и охлаждается от температуры до температуры t. Холодная вода получает количество теплоты Qg и нагревается от температуры ДО температуры t. 4. Решение задачи в обш,ем виде: Количество теплоты, отданное горячей водой, вычисляется по формуле Qi = - 0- Количество теплоты, полученное холодной водой, вычисляется по формуле Q2 = 5. Вычисления: Qi = 4200 Qp = 4200 Дж кг Дж кг • °С • 0,2 кг • (80 °С - 60 °С) = 16 800 Дж, 0,1 кг • (60 °С - 20 °С) = 16 800 Дж. Ответ: = 16 800 Дж; Qg = 16 800 Дж. 6. Анализ ответа. Мы получили, что количество теплоты, отданное горячей водой, равно количеству теплоты, полученному холодной водой. При этом мы рассматривали идеализированную ситуацию и не учитывали, что некоторое количество теплоты пошло на нагревание сосуда, в котором находилась вода, и окружающего воздуха. В действительности же количество теплоты, отданное горячей водой, больше, чем количество теплоты, полученное холодной водой. 93 Вопросы для самопроверки 1. Какую физическую величину называют количеством теплоты? 2. Какова единица количества теплоты? 3. От каких величин зависит количество теплоты, переданное телу при нагревании? 4. Телу при нагревании передано количество теплоты 100 Дж. Как изменилась при этом его внутренняя энергия? Какое количество теплоты отдаст это тело, если при остывании его температура изменится на столько же градусов, что и при нагревании? Как при остывании изменится его внутренняя энергия? 5. Какую физическую величину называют удельной теплоёмкостью вещества? 6. Сравните удельную теплоёмкость стали и алюминия. Сравните количество теплоты, которое необходимо затратить для нагревания стальной и алюминиевой деталей одинаковой массы при одинаковом изменении температуры. Задание 23 1. Почему в радиаторах водяного отопления используется вода? 2. Представьте значения удельной теплоёмкости серебра, меди, стали, графита и алюминия в виде столбчатой диаграммы. 3. Какое количество теплоты необходимо сообщить 5 л воды при нагревании её от комнатной температуры (20 °С) до кипения (100 °С)? 4. Какое количество теплоты выделяется при остывании стальной детали массой 500 кг от 300 до 50 °С? 5. Чему равна удельная теплоёмкость серебра, если при охлаждении серебряной ложки массой 50 г от 80 до 30 °С выделилось количество теплоты 625 Дж? 6. Чему равна масса куска меди, ес.пи на его нагревание от 10 до 210 °С было затрачено количество теплоты 16 000 кДж? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении задание. Лабораторная работа № 4 Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры Цель работы: сравнить количество теплоты, полл'ценное холодной водой, с количеством теплоты, отданным горячей водой в процессе теплообмена при их смешивании. 94 Приборы и материалы: калориметр, измерительный цилиндр (мензурка), термометр, стакан химический, горячая и холодная вода. Примечание. Калориметр — прибор, позволяющий измерять количество теплоты, выделяющейся и поглощающейся в процессе теплопередачи. Он устроен таким образом, чтобы максимально уменьшить теплообмен с внешними телами, не находящимися в калориметре. Простейший калориметр состоит из двух сосудов, один из которых — алюминиевый — вставлен в другой. Между сосудами образуется воздушный промежуток. Алюминиевый сосуд имеет блестящую поверхность, что уменьшает излучение энергии. Так же сокращает потери энергии слой воздуха, обладающего плохой теплопроводностью, между сосудами. Порядок выполнения работы 1. Измерьте объём холодной воды V, с помощью мензурки, вычислите её массу т^, перелейте холодную воду в калориметр. 2. Измерьте температуру холодной воды, налитой в калориметр. 3. Измерьте температуру ^2 горячей воды в сосуде, в котором она нагревается. 4. Налейте в калориметр горячую воду. 5. Измерьте температуру смеси t, перемешав воду в калориметре и дождавшись того момента, когда температура перестанет изменяться. 6. Вылейте воду в мензурку и измерьте её объём V. 7. Определите объём горячей воды: Ид = И - Vj. 8. Вычислите массу горячей воды mg. 9. Запишите результаты всех измерений в таблицу 11. 10. Вычислите количество теплоты Qj, полученное холодной водой, и количество теплоты Qg» отданное горячей водой. Запишите результаты в таблицу 11. Таблица 11 М'"^ mj, кг ^1’ °С fg, °с t, °с V, м^ ^2, М^ mg, кг Qp Дж ^2» Дж 11. Сравните количества теплоты Qj и Qg и сделайте вывод. Задание 24 1. в сосуд налили 25 л воды при температуре 20 °С. Чему равна масса горячей воды при температуре 80 ‘^С, которую нужно долить в сосуд, чтобы в нём установилась температура 30 °С? 95 2. В стеклянный стакан массой 100 г, имеющий температуру 20 °С, налили воду при температуре 80 °С. Через некоторое время температура воды стала равной 70 °С. Какова масса воды, налитой в стакан? 3. На рисунке 70 приведены графики зависимости температуры от времени при нагревании двух разных жидкостей одинаковой массы на одинаковых нагревательных приборах. Чем различаются процессы нагревания этих жидкостей и почему? Лабораторная работа № 5 Измерение удельной теплоёмкости вещества Цель работы: научиться измерять удельную теплоёмкость вещества. Приборы и материалы: металлическое тело на нити, калориметр, стакан с холодной водой, термометр, весы, разновес, измерительный цилиндр (мензурка), сосуд с горячей водой, кусочек ткани. Порядок выполнения работы Составьте план выполнения работы и выполните её. Если вы затрудняетесь сделать это самостоятельно, воспользуйтесь приведённым ниже планом. 1. Налейте в калорх^метр холодную воду, измерив её массу и температу- ру- 2. Опустите в калориметр с водой нагретое в горячей воде металлическое тело, измерив предварительно его температуру в горячей воде. 3. Измерьте температуру воды после того, как установится тепловое равновесие между водой и опущенным в неё телом. 4. Измерьте массу металлического тела, предварительно протерев его тканью. 5. Запишите полученные результаты измерений в таблицу 12 и вычислите по ним удельную теплоёмкость вещества металлического тела. 6. Вычислите абсолютную погрешность измерения удельной теплоёмкости вещества и запишите её значение в таблицу 12 с учётом погрешности измерений. 7. Определите, из какого вещества сделано металлическое тело, сравнив полученное значение удельной теплоёмкости с табличными значениями. Примечание. Вычисление погрешности измерений. В данной работе выполнялось косвенное измерение. Косвенное измерение — это такое измерение, при котором значение измеряемой ве- 96 Таблица 12 Объём воды V^, м3 Масса воды т^, кг Начальная температура воды °с Начальная температура тела t.2, °С Температура воды и тела t, Масса тела т-2, кг Удельная теплоёмкость вещества твёрдого тела с 2’ кг • °С ЬА = личины получают путем математических действии со значениями величин, полученных в ходе прямых измерений с помощью приборов. При вычислении погрешности косвенного измерения сначала определяют относительную погрешность, а затем абсолютную. Относительная погрешность ЬА измерения некоторой величины равна отношению абсолютной погрешности АА к измеренному значению величины А: А ’ Значение удельной теплоёмкости в данной работе вычисляется по формуле ^ Cimiit - ti) ^2 ^2(^2“ О Погрешность результата связана в данном случае с несовершенством метода проведения эксперимента, поскольку не учитывается теплообмен с окружающей средой, а также с несовершенством измерительных приборов. При данном методе измерений наибольшую погрешность в полученный результат вносит погрешность измерения температуры, поэтому погрешностью измерения массы воды и тела можно пренебречь. Относительная погрешность измерения удельной теплоёмкости вещества Ьс.2 равна: Дс2 At At ос., =--- =--------- С2 t-t^ -f Д^2 + Д^ to - t Отсюда абсолютная погрешность измерения удельной теплоёмкости равна: Дс2 = Cg • бс2. Окончательный результат запишется следующим образом: с = С2 ± Acg. § 25. Удельная теплота сгорания топлива / Что называют количеством теплоты? 1. Для того чтобы приготовить пищу, обогреть помещение, привести в движение автомобиль, нужно затратить энергию. Су- 97 ществуют различные источники энергии. Одним из них является топливо. Например, природный газ, дрова, уголь, нефть. Топливо содержит в своем составе углерод. При сгорании углерода происходит химическая реакция окисления — атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) COg. При этом выделяется энергия. 2. При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Энергия, выделяющаяся при сгорании различного топлива, характеризуется величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива. Удельной теплотой сгорания топлива называют физическую величину, показывающую, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг. Удельная теплота сгорания топлива обозначается буквой q, её единицей является джоуль на килограмм ^1 j. Значение удельной теплоты сгорания топлива определяют экспериментально. В таблице 13 приведены значения удельной теплоты сгорания некоторых видов топлива. Из этой таблицы видно, что наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую — порох. Таблица 13 Дж Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива, КГ Порох 0,38 • 10“ ^ Древесный уголь 3,4 • 107 Дрова сухие 1,0 • 10“ Природный газ 4,4 • 107 Торф 1,4 • 10' Нефть 4,4 • 107 Антрацит 3,0 • 10" Бензин 4,6 • 1Q7 Каменный уголь 2,7 • 10^ Керосин 4,6 • 107 Спирт 2,7 • 107 Водород 12,0 • 107 98 Удельная теплота сгорания сухих дров 10'^^^, а нефти — ТТ^к 4,4 • 10' . Это означает, что при полном сгорании 1 кг сухих дров выделяется количество теплоты 10^ Дж, а при полном сгорании 1 кг нефти — количество теплоты 4,4 • 10' Дж. Таким образом, при сгорании 1 кг сухих дров выделяется количество теплоты в 4,4 раза меньшее, чем при сгорании 1 кг нефти. 3. Если сгорает не 1 кг сухих дров, а, например, 20 кг, то при их полном сгорании выделится количество теплоты в 20 раз большее, т. е. 20 • 10^ Дж. В общем случае количество теплоты Q, выделяющееся при полном сгорании топлива, равно произведению удельной теплоты сгорания топлива q и его массы т: Q = qm. 4. Пример решения задачи Определите массу природного газа, который нужно сжечь для того, чтобы нагреть 22 л воды от 20 °С до кипения (100 °С). Дано: У=22л = 20 °С ^2 = 100 °с с = 4200 Дж д = 4,4 • 10' ^ кг • °С 7 Дж КГ р = 1000 кг т. СИ 22 • 10-3 м3 Решение: В теплообмене участвуют продукты сгорания природного газа и вода. При сжигании природного газа выделяется количество теплоты Qj. Если пренебречь потерями энергии на нагревание окружающего воздуха и сосуда, в котором находится вода, то, согласно закону сохранения энергии, количество теплоты Qj, выделившееся при сгорании природного газа, равно количеству теплоты Q2, затраченному на нагревание воды: " ^2* 99 Количество теплоты Q^, выделившееся при сгорании топлива, равно: Количество теплоты Qg, пошедшее на нагревание воды, равно: Q2 = стз(^2 - ^i)-Приравняем эти выражения: qm-^ = с/П2(^2 ~ ^i)' Масса воды mg равна произведению плотности воды на её объём: m2 = pF. С учётом этого получим: Отсюда /П-, = cpF(f2 - ^i) 4200 Дж m, = кг 103 Ц м3 22 • 10-3 ^3 . 80 °С 4,4 . = 0,17 кг. кг Ответ: = 0,17 кг. При решении задачи получилось, что для нагревания 22 кг воды от комнатной температуры до кипения требуется природный газ сравнительно небольшой массы. В реальной ситуации его потребовалось бы несколько больше, поскольку часть энергии идёт на нагревание окружающего воздуха и сосуда, в котором находится вода. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Почему при сгорании топлива выделяется энергия? 2. Какую физическую величину называют удельной теплотой сгорания топлива? Какова её единица? Л Ж 3. Удельная теплота сгорания керосина 4,6 • 10^ . Что это озна- чает? 4. При сгорании какого топлива одинаковой массы — торфа или керосина — выделяется большее количество теплоты? 100 Задание 25 1. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 10 кг каменного угля? 2. Чему равна масса сгоревшего древесного угля, если при этом выделилось количество теплоты 10,2 • 10^ Дж? 3- Чему равна масса воды, которую можно нагреть от 25 до 85 °С, передавая ей всю энергию, выделившуюся при полном сгорании 2,1 кг антрацита? 4*. Чему равна масса природного газа, который нужно сжечь для того, чтобы 4 кг воды нагреть в алюминиевой кастрюле массой 0,6 кг от 10 °С до кипения? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении задание, § 26. Первый закон термодинамики / Вспомните закон сохранения механической энергии, / Что называют внутренней энергией? 1. Вы уже знакомы с законом сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если между телами действуют только силы тяжести и упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию. Вы также знаете, что при изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения) или в процессе теплопередачи. В первом случае мерой изменения внутренней энергии является работа, а во втором случае — количество теплоты. 2. Предположим, что внутреннюю энергию тела U изменили, совершив над ним работу А и сообщив ему некоторое количество теплоты Q. В этом случае изменение внутренней энергии AU равно сумме работы А, совершённой над телом, и переданного ему количества теплоты Q: Af/ = А + Q. 101 Записанное выражение представляет собой первый закон термодинамики, который является обобщением закона сохранения энергии. Он формулируется следующим образом: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы, совершённой над системой внешними силами, и количества теплоты, переданного системе. 3. Предположим, что работу совершают не внешние силы, а сама система, например, газ при расширении перемещает поршень в цилиндре. В этом случае газ совершает работу А', которая равна работе внешних сил А с противоположным знаком: А' = -А. Подставим А' в выражение первого закона термодинамики: AU = Q-A', или Q = AU + А\ Это иная запись первого закона термодинамики, и читается она так: количество теплоты, сообщённое системе, идёт на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил. Первый закон термодинамики есть не что иное, как закон сохранения энергии при различного рода тепловых процессах. Этот закон был открыт в середине XIX в. как обобщение большого числа наблюдений и результатов экспериментов таких учёных, как немецкий врач Роберт Майер (1814—1878), английский физик Джеймс Джоуль (1818—1889) и немецкий естествоиспытатель Герман Гельмгольц (1821—1894). Вопросы для самопроверки 1. Сформулируйте первый закон термодинамики. 2. Может ли быть отрицательным значение изменения внутренней энергии? 3. Как запишется первый закон термодинамики, если ни газ, ни внешние силы не совершают работу? 4. Как запишется первый закон термодинамики, если система не участвует в теплообмене (система теплоизолированная)? 102 Задание 26 1. При быстром сжатии температура газа повысилась. Можно ли утверждать, что газу сообщено некоторое количество теплоты? Можно ли утверждать, что увеличилась внутренняя энергия газа? 2. Можно ли передать газу некоторое количество теплоты, не вызывая при этом повышения его температуры? 3. Газу передано количество теплоты 500 Дж, и он совершил работу 300 Дж. Чему равно изменение его внутренней энергии? 4. Газ, получив количество теплоты 2000 Дж, расширился и передвинул поршень в цилиндре. Его внутренняя энергия при этом уменьшилась на 500 Дж. Чему равно перемещение поршня, если при этом была преодолена постоянная сила сопротивления 1250 Н? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном приложении задания и тест № 3. Темы докладов и проектов 3 1. Учёт теплопроводности в строительстве. 2. Тепловые свойства воды. 3. Исследование зависимостей температуры и количества теплоты от времени при нагревании и охлаждении тел. Основное в главе 1. Основные величины, характеризующие тепловые явления (табл. 14). Таблица 14 Величина Обозна- чение Определение Еди- ница Связь с другими величинами Темпера- тура t, Т Параметр, характеризующий состояние теплового равновесия, одинаковый во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия °С, К Т = 273 + t 103 Окончание табл. 14 Величина Обозна- чение Определение Еди- ница Связь с другими величинами Внутренняя энергия и Физическая величина, равная сумме кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит тело, и потенциальной энергии их взаимодействия Дж Количество теплоты Q Физическая величина, равная изменению внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы Дж Q = AU Удельная теплоём- кость с Физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг для нагревания его на 1 °С (или на 1 К) Дж кг • °С Q с — m(t2 - Удельная теплота сгорания топлива Я Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг Дж кг Q т 104 2. Способы изменения внутренней энергии. 3. Первый закон термодинамики: = Q + А. Изменение агрегатных состояний вещества Вы хорошо знаете, что одно и то же вещество может находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Эти состояния вещества различаются расположением, характером движения и взаимодействия молекул. При некоторых условиях, например при определённых значениях температуры и давления, вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Так, металл при соответствующей температуре может плавиться, т. е. становиться жидким, при понижении температуры опять переходить в твёрдое состояние; эфир легко испаряется, т. е. переходит в газообразное состояние даже при комнатной температуре. Переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое называют агрегатными превращениями. Возникают вопросы: при каких условиях происходит переход вещества из одного агрегатного состояния в другое, как объяснить изменение агрегатного состояния вещества на основе молекулярно-кинетической теории? Ответы на эти вопросы вы получите при изучении данной главы. 106 § 27. Плавление и отвердевание кристаллических веществ / в каких агрегатных состояниях может находиться вещество? / Каково строение кристаллических тел и жидкостей? 1. Рассмотрим процесс превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое. Для этого проделаем опыт. Во внутренний сосуд калориметра положим немного измельчённого льда при температуре -10 °С, опустим в него термометр и оставим на столе. Будем следить за изменением температуры льда и процессами, которые с ним происходят. Наблюдения показывают, что какое-то время лёд остаётся в твёрдом состоянии и его температура постепенно повышается. При температуре 0 °С лёд начинает плавиться, в сосуде появляется вода, а температура льда остаётся неизменной до тех пор, пока он весь не перейдёт в жидкое состояние. После этого температура образовавшейся изо льда воды начинает повышаться, и это будет происходить до тех пор, пока она не станет равной комнатной. Таким образом, мы наблюдали переход льда из твёрдого состояния в жидкое. Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называют плавлением. Из наблюдений следует, во-первых, что лёд начинает плавиться при определённой температуре. Важно отметить, что лёд находится в кристаллическом состоянии. Следовательно, процесс плавления кристаллических тел происходит при определённой температуре, которую называют температурой плавления. Во-вторых: температура льда и образовавшейся воды во время всего процесса плавления остаётся неизменной. Таким образом, во время процесса плавления кристаллического вещества температура вещества остаётся постоянной. 2. Лёд участвовал в теплообмене с окружающим воздухом и сосудом калориметра. Получая от них некоторое количество теплоты, лёд нагревался до температуры 0 °С, его внутренняя энергия увеличивалась за счёт увеличения средней кинетической энергии теплового движения его молекул. Затем лёд плавился, и температура его при этом не менялась, но лёд получал некоторое количество теплоты. Следовательно, его внутренняя энергия увеличивалась, но не за счёт кинетической, 107 а за счёт потенциальной энергии взаимодействия молекул. Получаемая извне энергия расходовалась на разрушение кристаллической решётки. Процесс плавления кристаллических тел протекает аналогично рассмотренному процессу плавления льда. Чтобы расплавить твёрдое кристаллическое тело, необходимо нагреть его до температуры плавления и в дальнейшем сообш;ать ему энергию до тех пор, пока всё оно не превратится в жидкость. Исключение составляют те ве-пдества, которые меняют свой химический состав или сразу превра-пдаются в газ. Различные кристаллические вещества имеют разную температуру плавления (табл. 15). Таблица 15 Температура плавления некоторых веществ, °С {при нормальном атмосферном давлении) Водород -259 Алюминий 660 Кислород -219 Серебро 962 Азот -210 Золото 1064 Спирт -114 Медь 1085 Ртуть -39 Чугун 1200 Лёд 0 Сталь 1500 Цезий 29 Железо 1539 Натрий 98 Платина 1772 Олово 232 Осмий 3045 Свинец 327 Вольфрам 3387 Цинк 420 3. Если вынести сосуд с водой на улицу в зимнее время, то через некоторое время вода превратится в лёд. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое называют кристаллизацией. В рассматриваемом примере вода сначала будет охлаждаться до О °С, отдавая при этом некоторое количество теплоты окружающему воздуху. При этом будет уменьшаться её внутренняя энергия за счёт уменьшения средней кинетической энергии движения молекул. Когда температура воды станет равной О °С, она начнёт превращаться в лёд. При этом температура воды не будет изменяться до тех пор, пока вся она не перейдёт в твёрдое состояние. Этот про- 108 цесс сопровождается выделением определенного количества теплоты и соответственно уменьшением внутренней энергии воды за счёт уменьшения потенциальной энергии взаимодействия её молекул. Таким образом, переход вепдества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое происходит при определённой температуре, называемой температурой кристаллизации. Эта температура остаётся неизменной во время всего процесса кристаллизации. Опыт показывает, что для кристаллических тел температура кристаллизации равна температуре плавления. 4. Процесс плавления аморфных тел отличается от плавления кристаллических тел. При повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются до тех пор, пока не превратятся в жидкость. У них нет определённой температуры плавления. Это происходит потому, что, в отличие от молекул кристаллических тел, молекулы аморфных тел перемещаются относительно друг друга. При нагревании их скорость увеличивается, увеличиваются расстояния между ними, тело постепенно размягчается и становится текучим. При охлаждении уменьшаются скорости движения молекул и расстояния между ними. Растут силы взаимодействия между молекулами. Тела теряют текучесть, становятся более густыми, а затем отвердевают. 5. Различные кристаллические вещества имеют разное строение, разные кристаллические решётки. Соответственно, для того чтобы её разрушить при температуре плавления, необходимо затратить разную энергию, сообщить веществу разное количество теплоты. Количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг кристаллического вещества, чтобы превратить его в жидкость при температуре плавления, называют удельной теплотой плавления. Опыт показывает, что удельная теплота плавления равна удельной теплоте кристаллизации. Удельную теплоту плавления обозначают буквой X. Её едини- ца — джоуль на килограмм ^ 1 |. Разные вещества имеют разную удельную теплоту плавления (табл. 16). 109 Таблица 16 Удельная теплота плавления некоторых веществ, кг (при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении) Алюминий 3,9 • 10’ Сталь 0,84 • 105 Лёд 3,4 • 10^ Золото 0,67 • 105 Железо 2,7 • 10^ Водород 0,59 • 105 Медь 2,1 • 105 Олово 0,59 • 105 Цинк 1,12 • 105 Свинец 0,25 • 105 Спирт 1,1 • 105 Кислород 0,14 • 105 Серебро 0,87 • 105 Ртуть 0,12 • 105 Из таблицы видно, что лёд имеет сравнительно большую удельную теплоту плавления и кристаллизации. Благодаря этому процесс таяния снега и льда происходит весной довольно медленно, что позволяет избежать больших паводков и способствует тому, что почва пропитывается влагой. Например, удельная теплота плавления свинца 0,25 105 Д25. КГ Это означает, что для превращения 1 кг свинца из твёрдого состояния в жидкое при температуре плавления необходимо затратить количество теплоты 0,25 • Ю^Дж. Этому же значению равно увеличение внутренней энергии 1 кг свинца. Удельная теплота плавления показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия вещества массой 1 кг, взятого при температуре плавления, при его плавлении или кристаллизации. Можно сказать, что при переходе 1 кг свинца из жидкого состояния в твёрдое при температуре кристаллизации выделяется количество теплоты 0,25 • 10^ Дж. Этому же значению равно уменьшение его внутренней энергии. 6. Если известно количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг, например свинца (удельная теплота плавления 0,25 • 10 5 ДЖ при температуре плавления, то для плавления 5 кг свинца нужно затратить количество теплоты в 5 раз большее, т. е. 1,25 • 10^ Дж. Таким образом, чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для плавления вещества массой т, взятого при темпе- 110 ратуре плавления, следует удельную теплоту плавления X умножить на массу вещества: Q = Хт. Дано: Эта же формула используется при вычислении количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации жидкости. 7. Пример решения задачи В калориметр, содержащий воду массой 500 г при температуре 30 °С, опустили кусок льда при температуре плавления. При тепловом равновесии в калориметре установилась температура 10 °С. Определите массу льда. СИ Решение: 0,5 кг В теплообмене участвуют лёд и вода. Вода отдаёт льду количество теплоты Qj и остывает от 30 до 10 °С. Кусок j.p . льда получает количество теплоты Qg» которое идёт на плавление льда, и количество теплоты Qg на нагревание образовавшейся воды от о до 10 °С. Если пренебречь потерями энергии на нагревание окружающего воздуха и — ? калориметра, то, согласно закону сохранения энергии: /7ig = 500 г = 30 °с с = 4200 ^2 = о °С Х=3,4 • ^ = 10°С Дж 10» КГ т. Qi ~ Q2 ^3* Количество теплоты, отданное водой: = cmj^t^ - t). Количество теплоты, необходимое для плавления льда: Qg ^ Количество теплоты, полученное образовавшейся изо льда водой: Qg = cmj^t - ^g). С учётом этого можно записать: cmj^t-^ -t) = Хт^^ -Ь cmj,t - fg). - t) Отсюда m„ = X + c(t - t.))' Ill rn„ = 4200 -'9^-- • 0,5 кг • 20 °C _________кг ♦ с__________________ 3,4.105 5^ + 4200 -5^ . 10 °с кг кг•°С = 0,1 кг. Ответ: = 0,1 кг. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что называют агрегатными превращениями вещества? Какие агрегатные превращения вы знаете? Приведите примеры. 2. Какой процесс называют плавлением; кристаллизацией? 3. Опишите процесс плавления кристаллического вещества и объясните его на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества. 4. Чем отличается плавление кристаллического тела от плавления аморфного тела? 5. Можно ли расплавить свинец в оловянной миске? 6. Что называют удельной теплотой плавления? 7. Удельная теплота плавления железа 2,7 • 10^ . Что это озна- кг чает? Задание 27 1. Почему для измерения температуры в северных районах используют не ртутные, а спиртовые термометры? 2. На рисунке 71 приведён график зависимости температуры цинка от времени его нагревания. Каким процессам соответствуют участки графика АВ, ВС, CD, DE, EF1 3. Представьте значения температуры плавления свинца, алюминия и серебра в виде столбчатой диаграммы. 4. Сравните внутреннюю энергию 1 кг кристаллического и жидкого серебра при температуре плавления. 5. Какое количество теплоты необходимо затратить для плавления 20 кг алюминия при температуре 660 '’С? 6. Какое количество теплоты выделится при кристаллизации 5 кг олова и при дальнейшем его охлаждении до температуры 32 ®С? ?з. Выполните опыт. Заморозьте в холодильнике воду. Получившийся кусок льда раздробите и положите в стакан. Наблюдайте за изменением состояния льда и измеряйте температуру. Отмечайте значе- 112 ния температуры через равные промежутки времени. Запишите данные в таблицу. Постройте график зависимости те.мпературы льда в стакане от времени его нагревания. Если у вас есть весы, то предварительно взвесьте кусок льда и рассчитайте количество теплоты, которое получит лёд при плавлении. Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном при.аожении задания. § 28. Испарение и конденсация / Каково строение жидкостей и газов? 1. Вам не раз приходилось наблюдать, как после дождя высыхают лужи, сохнет выстиранное белье, кипит вода в чайнике. Во всех этих случаях вода превращается из жидкого состояния в газообразное (в пар). Явление превращения жидкости в пар (газ) называют парообразованием. Парообразование может происходить по-разному. Известны два процесса парообразования: испарение и кипение. Они осуществляются при разных условиях. Рассмотрим сначала процесс испарения. 2. Вы хорошо знаете, что лужи после дождя высыхают и при температуре 10 °С, и при 20 °С, и при 30 °С, и при любой другой температуре. То же можно сказать и про выстиранное бельё. Следовательно, в данных примерах вода из жидкого состояния в газообразное превращается при любой температуре. Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поверхности жидкости, называют испарением. Наблюдения показывают, что испаряются не только жидкости, но и твёрдые тела. Простейший пример — высыхание белья на морозе. Содержащаяся в белье вода сначала замерзает, превращаясь в лёд, а затем лёд испаряется. Вы наверняка наблюдали испарение льда, который кладут в холодильники с мороженым. Можно наблюдать испарение твёрдого иода. Если кристаллики иода поло- 113 Рис. 72 жить в колбу и нагреть (рис. 72), то через некоторое время иод превратится в пар, минуя жидкое состояние. 3. Объясним процесс испарения на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества. Вам известно, что молекулы жидкости непрерывно движутся с разными скоростями. Наиболее быстрые молекулы, находящиеся на границе поверхности жидкости и воздуха, преодолевают притяжение соседних молекул и покидают жидкость (рис. 73). Таким образом над жидкостью образуется её пар. 4. Выясним, от чего зависит скорость испарения жидкости. Проделаем опыт. Капнем на стеклянную поверхность воду, спирт и растительное масло. Проследим, какая жидкость испарится первой. Заметим, что раньше всех испарится спирт, затем вода, позже — подсолнечное масло. Значит, скорость испарения зависит от рода жидкости. Вы хорошо знаете, что на ветру бельё сохнет быстрее, чем при отсутствии ветра. Это происходит потому, что ветер уносит вылетевшие из жидкости молекулы, освобождая место для других. Понятно, почему вы дуете на ранку после того, как её смажут иодом и вы почувствуете жжение. Спирт, в котором растворён иод, при этом будет быстрее испаряться. Таким образом, скорость испарения зависит от движения воздуха над поверхностью жидкости. Как вы думаете, из какого сосуда — стакана или блюдца — вода испарится быстрее, если масса воды будет одинаковой? Опыт показывает, что из блюдца. Это объясняется тем, что площадь поверхности воды в блюдце больше, чем в стакане, следовательно, большее число молекул сможет оказаться на поверхности и, преодолев силы притяжения, вылететь с неё. Значит, скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости. Вы, конечно, замечали, что в жаркий летний день лужи высыхают быстрее, чем в холодный осенний. Очевидно, что с повышением температуры скорость испарения возрастает. И это неудивительно, поскольку чем выше температура жидкости, тем больше скорости движения её молекул и соответственно их ки- ^4: Рис. 73 114 нетическая энергия. А раз так, то большее число молекул способно преодолеть силы притяжения и выйти за пределы поверхности жидкости. Таким образом, скорость испарения зависит от температуры жидкости. 5. Выясним, что происходит с жидкостью в сосуде при испарении. Проделаем опыт. Возьмём термометр, обмотаем его конец тряпочкой, смоченной водой, а лучше одеколоном. Заметим, что столбик жидкости в термометре начнёт опускаться. Это свидетельствует об уменьшении температуры жидкости при испарении. Например, если на руку капнуть одеколон или эфир, то рука начнёт опд,уш;ать холод. Объясняется этот факт следующим образом. При испарении жидкость покидают молекулы, обладающие наибольщей энергией, поэтому внутренняя энергия оставшейся части жидкости уменьшается. Следовательно, уменьшается и температура жидкости. 6. Все вы наблюдали вечером после жаркого летнего дня выпадение росы. Это водяной пар, содержащийся в воздухе, при охлаждении превращается в жидкость, и капельки воды оседают на листьях и траве. Процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией. Процесс конденсации происходит одновременно с процессом испарения. Молекулы, вылетевшие из жидкости и находящиеся над её поверхностью, участвуют в хаотическом движении. Они сталкиваются с другими молекулами, в какой-то момент времени их скорости могут быть направлены к поверхности жидкости, и молекулы возвратятся в жидкость. Если процесс испарения идёт быстрее, чем процесс конденсации, то масса жидкости в сосуде уменьщается. Это происходит, когда сосуд открыт. 7. Теперь выясним, как происходит испарение жидкости в закрытом сосуде. Вначале число молекул, которые вылетают из жидкости, больше, чем число молекул, возвращающихся в неё. Через некоторое время число молекул, покидающих жидкость, станет равным числу молекул, возвращающихся обратно. В этом случае наступает динамическое равновесие между жидкостью и паром. Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют насыщенным паром. Пусть имеется закрытый сосуд с жидкостью и в нём находится насыщенный пар. Будем нагревать этот сосуд. Очевидно, что при 115 повышении температуры большее число молекул способно покинуть жидкость. Поэтому в начальный момент времени число молекул, покидаюш;их жидкость, станет больше числа молекул, возвращающихся в неё, динамическое равновесие нарушится, пар перестанет быть насыщенным. Однако через какое-то время равновесие восстановится, но плотность насыщенного пара увеличится, поскольку возрастёт число молекул в единице объёма. А как известно, с увеличением плотности растёт и давление пара. Таким образом, плотность и давление насыи^енного пара зависят от температуры: они увеличиваются с ростом температуры. Пар, не находящийся в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью, называют ненасыщенным. Вопросы для самопроверки 1. Какой процесс называют парообразованием? 2. Какой процесс называют испарением? 3. Какой процесс называют конденсацией? 4. Объясните процессы испарения и конденсации на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества, 5. Какие факторы влияют на скорость испарения? 6. Что происходит с жидкостью при испарении? Почему? 7. Какой пар называют насыщенным? 8. Как зависят плотность и давление насыщенного пара от температуры? Почему? Задание 28 1. После дождя обычно становится прохладно. Почему? 2. На одну чашку весов поставили стакан с холодной водой, на другую — с горячей и уравновесили их. Изменится ли равновесие весов через некоторое время? 3. Почему вода, пролитая на пол, испаряется быстрее, чем такое же количество воды в стакане? 4. Почему в закрытой кастрюле вода нагревается быстрее, чем в открытой? 5д. Проведите наблюдение за скоростью испарения различных веществ. Продумайте эксперимент и осуществите его. Опишите опыт и его результаты в тетради. 63. Придумайте опыты, позволяющие доказать, что скорость испарения зависит от температуры жидкости, площади поверхности и состояния воздуха над поверхностью, и осуществите их. Опишите опыты и их результаты в тетради. 116 § 29. Кипение. Удельная теплота парообразования / Каков механизм конвекции? / Каковы условия плавания тел? 1. Рассмотрим процесс перехода жидкости в пар при кипении. Нальём в колбу воду, закрепим её в штативе и начнём нагревать (рис. 74). Будем наблюдать за изменением состояния воды в колбе. Через некоторое время заметим, что в воде появляются пузырьки. Эти пузырьки содержат воздух и насыщенный водяной пар, который образуется при испарении воды внутрь пузырьков. При повышении температуры растёт давление насыщенного пара в пузырьках и их размеры увеличиваются. Под действием архимедовой силы пузырьки начинают всплывать. Поскольку вода ещё не прогрелась и температура верхних слоёв воды меньше, чем нижних, пар в пузырьках начинает конденсироваться. Их объём уменьшается, пузырьки сжимаются («схлопыва-ются»), и мы слышим шум. Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром уже смогут подняться до поверхности. Достигнув поверхности жидкости, пузырьки лопаются, и пар выходит наружу. Жидкость кипит. Это происходит тогда, когда давление насыщенного пара в них равно атмосферному. Процесс парообразования, происходящий во всём объёме жидкости при определённой температуре, называют кипением. 2. Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Температура кипения жидкости зависит от атмосферного давления. При повышении атмосферного давления она увеличивается, при понижении — уменьшается. В таблице 17 представлены значения температуры кипения некоторых жидкостей при нормальном атмосферном давлении. 117 Таблица 17 Температура кипения некоторых жидкостей, °С {при нормальном атмосферном давлении) Водород -253 Молоко 100 Кислород -183 Ртуть 357 Эфир 35 Свинец 1740 Спирт 78 Медь 2567 Вода 100 Железо 2750 Как видно из данной таблицы, более летучие жидкости — эфир, спирт — кипят при более низкой температуре, чем, например, вода. Это связано с тем, что давление насыщенных паров этих жидкостей уже при комнатной температуре достаточно велико, поскольку их молекулы слабее связаны между собой силами притяжения, чем молекулы других веществ. Давление же паров ртути при комнатной температуре мало. Оно становится равным атмосферному лишь при температуре 357 °С. 3. Опыт показывает, что, как только жидкость закипает, её температура перестаёт изменяться и остаётся постоянной во время всего процесса кипения, несмотря на то что извне продолжает поступать энергия. Выясним, на что расходуется поступающая к жидкости энергия. Пока нагреваемая жидкость не кипит, парообразование происходит только с её поверхности. Часть сообщаемой жидкости энергии расходуется на компенсацию потери жидкостью энергии при испарении, а часть — на увеличение внутренней энергии жидкости, в частности средней кинетической энергии молекул, о чём свидетельствует повышение её температуры. При достижении температуры кипения парообразование происходит уже во всём объёме жидкости. Переход жидкости в газообразное состояние связан с увеличением расстояний между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения между молекулами и расходуется подводимая к жидкости энергия. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Вот почему температура кипения остаётся постоянной до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. 118 Во время кипения увеличивается потенциальная энергия молекул, а их средняя кинетическая энергия остаётся неизменной. 4. Для превращения разных веществ из жидкого состояния в газообразное требуется разная энергия. Эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования. Удельной теплотой парообразования называют величину, равную количеству теплоты, которое нужно сообщить веществу массой 1 кг для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения. Удельная теплота парообразования обозначается буквой L, её единицей является джоуль на килограмм 1 j. Удельная теплота парообразования показывает, на сколько увеличивается внутренняя энергия вещества массой 1 кг при превращении его из жидкого состояния в газообразное без изменения температуры {при температуре кипения). Значения удельной теплоты парообразования определяются экспериментально. В таблице 18 приведены значения удельной теплоты парообразования некоторых веществ. Таблица 18 Удельная теплота парообразования, — кг {при нормальном атмосферном давлении и температуре кипения) Вода 2,3 10® Эфир 0,4 • 10® Аммиак (жидк.) 1,4 10® Ртуть 0,3 • 10® Спирт 0,9 • 10® Воздух (жидк.) 0,2 • 10® 0,4 Например, 106 кг удельная теплота парообразования эфира Это означает, что для превращения 1 кг эфира из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения необходимо затратить количество теплоты 0,4 • 10® Дж, или внутренняя энергия 1 кг эфира при превращении из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения увеличивается на 0,4 • 10® Дж. 119 5. Если необходимо превратить в пар при температуре кипения не 1 кг эфира, а 5 кг, то потребуется затратить количество теплоты в 5 раз больше, т. е. 2 • 10® Дж. Таким образом, чтобы найти количество теплоты Q, которое необходимо сообщить веществу массой т, чтобы превратить его из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования L умножить на массу вещества: Q = Lm. 6. При конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты; причём его значение равно значению количества теплоты, полученного жидкостью при парообразовании при той же температуре. Так, если для преврапдения 1 кг спирта из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения 78 °С необходимо затратить количество теплоты 0,9 • 10® Дж, то при конденсации 1 кг паров спирта при этой же температуре выделится количество теплоты 0,9 • 10® Дж. На такое же значение уменьшится внутренняя энергия спирта. 7. Пример решения задачи В калориметр, содержащий воду массой 500 г при температуре 10 °С, впустили стоградусный пар. При тепловом равновесии в калориметре установилась температура 40 °С. Определите массу пара. Дано: т^ = 500 г = 10 °С с = 4200 Дж кг ^2 = 100 °С L = 2,3 • f = 40 °С 106 № кг т„-? СИ 0,5 кг Решение: Между паром и водой в калориметре происходит теплообмен. Пар конденсируется и отдаёт воде количество теплоты Qj, вода, образовавшаяся из пара, отдаёт количество теплоты Q2 ^ охлаждается от 100 до 40 °С. Вода, находившаяся в калориметре, получает количество теплоты Qg и нагревается от 10 до 40 °С. Пренебрегая потерями энергии на нагревание калориметра и окружающего воздуха, можно записать: Qi ~ Q2 ~ ^3* 120 Количество теплоты, выделившееся при конденсации пара, равно: = Lm^. Количество теплоты, отданное образовавшейся из пара водой: Qg = - О- Количество теплоты, полученное водой в калориметре: Q^ = cm^it -1^). С учётом этого получим: Lm^ + cm^it2 -t) = cm^it - t^). Отсюда _ cmjt - ^i) _ L + cito - O’ m 4200 » 0,5 кг-30 °C _ кг • C 2,3 • 106 + 4200 • 60 °C КГ КГ•°C = 0,025 кг = 25 Г. Ответ: ~ 25 r. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какой процесс называют кипением? 2. Объясните, как происходит кипение жидкости. 3. Почему при температуре ниже температуры кипения пузырьки пара, поднимаясь вверх, уменьшаются в объёме? 4. От чего зависит температура кипения? 5. Почему во время кипения температура вещества не меняется? 6. Что называют удельной теплотой парообразования? 7. Удельная теплота парообразования воды 2,3 • 10®^-^. Что это кг означает? Задание 29 1. Водяной пар при температуре 100 °С сконденсировался в воду той же температуры. Как изменились при этом объём, масса, плотность и внутренняя энергия вещества? 2. Постройте график зависимости температуры воды от времени при нагревании её от 20 °С до кипения и последующем превращении в пар. 121 3*. Две жидкости, массы которых равны, нагревают в одинаковых сосудах на одинаковых горелках. По графикам зависимости температуры от времени (рис. 75) сравните значения удельной теплоёмкости, температуры кипения и удельной теплоты парообразования этих жидкостей. 4. Представьте значения температуры кипения эфира, спирта, воды и ртути в виде столбчатой диаграммы. 5. Какое количество теплоты необходимо для превращения в пар 10 кг воды при температуре кипения? 6. Какое количество теплоты выделяется при конденсации 0,1кг эфира, взятого при температуре кипения, и при последующем его охлаждении до температуры 15 °С? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении задание. § 30. Влажность воздуха / Что называют плотностью вещества? / Как зависит плотность насыщенного пара от температуры? 1. Вы знаете, что в воздухе всегда присутствует водяной пар. Содержание водяного пара в воздухе характеризует его влажность. Для того чтобы оценить влажность воздуха, вводят две величины: абсолютную и относительную влажность. Абсолютной влажностью воздуха называют массу водяного пара, содержащегося в 1 воздуха, или плотность водяного пара, содержащегося в воздухе. Если говорят, что влажность воздуха 8,3 • 10 ^ ^ , то это значит, что в 1 воздуха содержится водяной пар массой 8,3 • 10"^ кг. 2. Зная абсолютную влажность воздуха, нельзя сказать, сухой это воздух или влажный, насколько содержащийся в нём пар близок к насыщению. Для того чтобы судить о степени влажности воздуха, вводят величину, называемую относительной влажностью. 122 Относительной влажностью воздуха (ср) называют величину, равную отношению плотности водяного пара, содержащегося в воздухе, р (абсолютной влажности) к плотности насыщенного водяного пара Pq при этой температуре: Обычно относительную влажность выражают в процентах. Значения плотности насыщенного водяного пара при разной температуре приведены в таблице 19. Таблица 19 Зависимость плотности насыщенного пара от температуры Температура, Плотность насыщенного л л-Ч кг пара,10 3 _ м3 Температура, °С Плотность насыщенного л п-Ч КГ пара,10 3 _ м3 -30 0,46 10 9,41 -20 1,08 15 12,8 -10 2,37 20 17,3 0 4,86 30 30,4 5 6,84 40 51,1 3. Рассчитаем относительную влажность воздуха, если абсолютная влажность воздуха при 15 °С равна 8,3 • 10"^^. По таблице 19 найдём плотность насыщенного пара (Pq) при этой тем- О КГ пературе. Она равна 12,8 • 10~^ —z . Относительная влажность в м** этом случае равна: 8,3 • 10-3 Ф = кг м3 12,8 • 10-3 м3 = 0,64 = 64%. Чем меньше относительная влажность воздуха, тем дальше содержащийся в нём пар от насыщения. Соответственно при небольшой относительной влажности процесс испарения воды с поверхностей водоёмов, растений, тела человека происходит интенсивнее. 123 После дождя относительная влажность воздуха бывает очень высокой и порой равна 100%. В этом случае пар, содержагцийся в воздухе, является насыщенным. 4. Интересными природными явлениями, связанными с влажностью воздуха, являются образование тумана и выпадение росы. Вернёмся к рассмотренному в пункте 3 примеру и представим себе, что при температуре 15 °С абсолютная влажность воздуха 6,84 10-3 . Будем охлаждать этот воздух. При некоторой температуре пар станет насыщенным. При дальнейшем охлаждении он начнёт конденсироваться, выпадет роса и образуется туман. Температуру, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, называют точкой росы. По таблице 19 можно найти температуру, при которой пар плот- КГ ностью 6,84 • 1Q-3 — становится насыщенным. Она равна 5 °С. Следовательно, роса выпадет при этой температуре. 5. Одним из приборов, с помощью которого измеряют влажность воздуха, является гигрометр. В основе работы волосного гигрометра лежит свойство человеческого волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха: он удлиняется при увеличении влажности и укорачивается при её уменьшении. На рисунке 76 изображён волосной гигрометр. В нём один конец волоса 1 прикреплён к раме 2, другой конец обёрнут вокруг ролика 3 и соединён с грузом 4. Груз держит волос в натянутом состоянии. При изменении длины волоса ролик 3 начинает вращаться и приводит в движение стрелку 5. Шкала такого гигрометра проградуирована так, что по положению стрелки можно определить относительную влажность. 6. Для хорошего самочувствия человека относительная влажность воздуха должна быть 40—60%. Если влажность меньше, то это ведёт к усиленному испарению воды из организма и высыханию слизистой оболочки носа, горла, лёгких, что повышает вероятность простудных заболеваний. В этих случаях необхо- 124 димо увлажнять воздух в жилых и служебных помещениях. При повышенной влажности воздуха замедляется процесс испарения влаги с поверхности кожи человека и нарушается процесс теплообмена между человеческим организмом и окружающей средой. Большое значение имеет знание влажности воздуха, наряду с такими величинами, характеризующими состояние атмосферы, как давление, температура, скорость ветра, для предсказания погоды. Контроль влажности воздуха важен для сохранности произведений искусства. В музеях обычно висят такие приборы, как термометры и гигрометры, которые позволяют следить за температурой и влажностью воздуха. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что называют абсолютной влажностью воздуха? 2. Что называют относительной влажностью воздуха? 3. Что называют точкой росы? При каких условиях выпадает роса? 4. С помощью какого прибора измеряют влажность воздуха? 5. Каково значение влажности воздуха в жизни человека? Задание 30 1. Плотность водяного пара при температуре 20 °С была равна 12 • 10'^ ^ . Был ли пар насыщенным? 2. Плотность водяного пара в воздухе при температуре 30 °С равна 15.8 • 10~^ ^ . Какова относительная влажность воздуха? м"^ 3*. Плотность водяного пара в воздухе при температуре 25 °С равна 12.8 • 10“^ . Выпадет ли вечером роса, если температура понизит- м'^ ся до 15 °С? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном приложении задания и тест № 4. Темы докладов и проектов 1. Приборы для измерения влажности воздуха. 2. Процессы плавления и кристаллизации в промышленности. 3. Испарение твёрдых тел. 4. Исследование агрегатных превращений вещества с использованием графиков зависимости температуры от времени. 125 Основное в главе 1. Изменение агрегатных состояний вещества. 2. Основные величины (табл. 20). Таблица 20 Величина Обо- зна- чение Определение Еди- ница f Связь с другими величинами Удельная теплота плавления X Количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг кристаллического вещества, чтобы превратить его в жидкость при температуре плавления Дж кг Q = Хт Удельная теплота парообразования L Количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу массой 1 кг для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения Дж кг Q = Lm 126 Окончание табл. 20 Величина Обо- зна- чение Определение Еди- ница Связь с другими величинами Абсолютная влажность воздуха Р Плотность водяного пара, содержащегося в воздухе (масса водяного пара в 1 воздуха) кг Относительная влажность воздуха Ф Отношение плотности водяного пара, содержащегося в воздухе (абсолютной влажности), к плотности насыщенного водяного пара при этой температуре ф= . 100% Ро Тепловые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел Вы уже знаете, что тело может быть холодным или горячим; газ может производить различное давление на стенки сосуда, т. е. он может находиться в разных состояниях. Состояние жидкого, твёрдого или газообразного тела {системы) характеризуется параметрами состояния, такими как объём, давление, температура. При изменении состояния тела могут измениться либо все эти три параметра, либо два из них. Так, при нагревании жидкости изменяются её температура и объём.; при падении свинцового шара на плиту также изменяются объём шара и плиты и их температура. Нагревание воздуха в воздушном шаре приводит к изменению его объёма, давления и температуры. Часто бывает необходимо определить значения величин, характеризуюш,их состояние тела, при изменении этого состояния. Например, необходимо знать давление газа в цилиндре двигателя автомобиля, которое создаётся при сгорании горючей смеси. Это важно для того, чтобы подобрать материал и рассчитать толщину стенок цилиндра. В противном случае его может разорвать. Необходимо знать и температуру газа, чтобы избежать плавления цилиндра. Значения пара.четров состояния газа, жидкости, твёрдого тела можно определить, если установить связи между ними для разных состояний тела. Установим сначала связь параметров состояния такой системы, как газ. 128 § 31. Связь между параметрами состояния газа / Что называют параметрами состояния газа? / Каково строение газов? 1. Рассмотрим такие изменения состояния газа, при которых один из параметров, характеризующих его состояние, остаётся постоянным. Пусть изменяются давление и объём некоторого газа, например воздуха, а масса и температура при этом остаются постоянными. Возникает вопрос, как при изменении объёма газа будет изменяться его давление. Для ответа на этот вопрос вспомним, что происходит, если сжимать руками воздушный шарик. При сжатии его объём уменьшается, а давление воздуха в нём увеличивается. Подобные наблюдения позволяют сделать предположение о том, что при увеличении объёма газа его давление уменьшается; при уменьшении объёма давление возрастает. Чтобы проверить это предположение и установить количественную зависимость между давлением и объёмом газа, проделаем опыт. Возьмём цилиндр переменного объёма и соединим его с металлическим манометром (рис. 77). Основной частью манометра является согнутая в форме дуги металлическая трубка 1 (рис. 78). Один её конец закрыт. К её закрытому концу присоединена стрелка 2, которая может перемещаться по шкале прибора. Другой конец трубки 3 соединяют с сосудом, в котором измеряют давление. При увеличении давления в сосуде трубка разгибается и движение её запаянного конца передаётся стрелке. Рис. 77 129 Будем медленно сжимать воздух в цилиндре, вращая прикреплённый к нему стержень с винтовой нарезкой. Медленное сжатие позволяет сохранить неизменной температуру воздуха, поскольку в этом случае успевает происходить теплообмен между воздухом в цилиндре, стенками цилиндра и окружающим воздухом. 2. Измерения показывают, что произведение давления газа данной массы и его объёма при постоянной температуре одинаково для всех состояний газа: pV = const. Если pj — давление газа в первом состоянии, — объём газа в первом состоянии, а Р2 ^ ^2 — соответственно давление и объём газа во втором состоянии, то можно записать: Pl^l=P2^2- Pi Это равенство можно переписать иначе: — = — Р2 V. Таким образом. при неизменной температуре давление газа данной массы обратно пропорционально его объёму. Графиком зависимости давления газа данной массы от его объёма при постоянной температуре является гипербола (рис. 79). 3. Объясним полученную зависимость, используя знания о строении газов. Как вам известно, давление газа обусловлено ударами его молекул о стенки сосуда. При уменьшении объёма газа увеличивается его плотность, т. е. увеличивается число молекул в единице объёма. Соответственно большее число молекул ударяется о стенки сосуда и давление газа возрастает. Возникает вопрос, для всех ли газов справедлива полученная зависимость. Многочисленные опыты показывают, что не для всех и не всегда. Она несправедлива для газов, имеющих большую плотность, а также для газов, находящихся при низких температурах и высоких давлениях. Так, полученная зависимость давления газа от его объёма при постоянной температуре достаточно точно выполняется для водорода, имеющего наименьшую плот- 130 ность I 0,09 ^ при о °С ] в достаточно большом температурном V J интервале. Для воздуха отклонения от этой зависимости заметны при температуре ниже 0 °С и давлении выше 10® Па. 4. Выясним, какова связь между объёмом и температурой газа при постоянном давлении. Массу газа также изменять не будем. Вновь обратимся к наблюдениям. Закроем колбу пробкой, в которую вставлена изогнутая под прямым углом трубка (рис. 80, а). В трубке находится небольшой столбик подкрашенной воды. Нагреем колбу, столбик воды при этом переместится вправо (рис. 80, б). Чем сильнее будем нагревать колбу, тем на большее расстояние переместится столбик воды. Объясним результат опыта. В начальный момент времени столбик воды был неподвижен, следовательно, давление воздуха в колбе было равно атмосферному. При нагревании колбы столбик воды передвинется и остановится тогда, когда давление воздуха в колбе вновь станет равно атмосферному, т. е. давление воздуха в колбе не изменяется, а объём его при нагревании увеличивается. Таким образом, при неизменном давлении объём, газа данной массы увеличивается при возрастании его температуры. Рис. 80 131 5. Точные измерения показывают, что отношение объёма газа данной массы к его абсолютной температуре при неизменном давлении есть величина постоянная'. ^ = const. Такую зависимость между объёмом и температурой газа называют прямо пропорциональной. Можно сказать, что: объём газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален его абсолютной температуре. Vi V2 F, или Т, Т, Графиком такой зависимости является прямая линия, проходящая через начало координат (рис. 81). Однако для реальных газов зависимость между объёмом газа и его температурой в области низких температур (близких к абсолютному нулю) не будет прямо пропорциональной. Поэтому на графике отрезок, соответствующий этим температурам, показан пунктиром. 6. На основе молекулярно-кинетической теории строения вещества зависимость объёма газа данной массы от температуры при постоянном давлении можно объяснить следующим образом. При повышении температуры возрастают скорость движения молекул и соответственно давление газа на стенки сосуда. Чтобы давление осталось неизменным, должна уменьшиться концентрация молекул газа. Это происходит при увеличении его объёма. 7. Рассмотрим процесс, при котором изменяются температура и давление газа, а его масса и объём остаются неизменными. Изменим несколько схему наших рассуждений. Попробуем предсказать, как зависит давление газа данной массы от температуры при неизменном объёме, зная особенности молекулярного строения газа. 132 При повышении температуры увеличивается скорость движения молекул газа и их средняя кинетическая энергия. Соответственно молекулы газа будут чаиде и с большей силой ударяться о стенки сосуда, что приведёт к увеличению давления. 8. Опыт показывает, что отношение давления газа данной массы к абсолютной температуре при постоянном объёме есть величина постоянная’. ^ = const. Иначе говоря, давление газа данной массы при постоянном объёме прямо пропорционально его абсолютной температуре. или = El Т, Т,' Графиком зависимости давления газа данной массы от абсолютной температуры при постоянном объёме является прямая, прохо-дяпдая через начало координат (рис. 82). Отрезок графика, соответ-ствуюш;ий температурам, близким к абсолютному нулю, показан пунктиром, так как при таких температурах нарушается прямая пропорциональная зависимость. 9*. Полученные знания о свойствах газов позволяют уточнить понятие абсолютной температуры. Из опыта следует, что давление газа данной массы при постоянном объёме прямо пропорционально его абсолютной температуре: Р-Т. Кроме того, вы знаете, что газ производит давление на стенки сосуда благодаря ударам о них молекул. Чем больше скорость молекул газа и средняя кинетическая энергия их теплового движения, тем больше давление газа. Можно сказать, что давление газа прямо пропорционально средней кинетической энергии теплового дви- Рис. 82 О 133 жения его молекул (черта над обозначением энергии означает её среднее значение): Из приведённых рассуждений следует, что абсолютная температура и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул газа связаны между собой; они находятся в прямой пропорциональной зависимости: Ё,-Т. Теперь можно понять физический смысл абсолютного нуля температуры. При Г = О К должна быть равна нулю средняя кинетическая энергия, а следовательно, и скорость теплового движения молекул. Иными словами, абсолютный нуль — это такая температура, при которой должно прекратиться тепловое движение молекул. Достижение такой температуры принципиально невозможно, однако к ней сумели приблизиться. В настояпдее время с помощью очень сложных методов получена температура порядка 10-12 К. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Чем различаются состояния холодной и горячей воды? 2. Сформулируйте закон, который выражает зависимость объёма газа данной массы от его давления при постоянной температуре. 3. Опишите опыт, позволяющий установить эту зависимость. Почему объём цилиндра надо менять медленно? 4. Объясните характер зависимости объёма газа данной массы от давления при неизменной температуре на основе знаний о строении газа. 5. При каких условиях справедлива обратная пропорциональная зависимость между объёмом и давлением газа данной массы при неизменной температуре? 6. Как зависит объём газа данной массы от температуры при постоянном давлении? 7. Какой вид имеет график зависимости объёма газа данной массы от температуры при постоянном давлении? 8. Объясните на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества зависимость объёма газа данной .массы от температуры при постоянном дав.тении; зависимость давления газа данно11 массы от температуры при постоянном объёме. 9*. Как связаны абсолютная температура и средняя кинетическая энергия движения молекул? 134 Задание 31 1. Приведите примеры, подтверждающие, что давление газа данной массы при постоянной температуре обратно пропорционально его объёму. 2. Каким стало давление углекислого газа в цилиндре, если он был сжат при постоянной температуре от 6 до 4 л? Первоначальное давление газа было равно 10^ Па. 3. Постройте график зависимости давления газа данной массы от объёма при постоянной температуре, если произведение его давления на объём равноpV = 20 • 10’’ Па • м^. 4. Какова начальная температура газа, если при увеличении его объёма при постоянном давлении с 5 до 10 л она увеличилась до 600 К? 5. Постройте график зависимости объёма газа от его температуры по данным задачи 4. 6. Приведите примеры, доказывающие, что дав-пение газа зависит от температуры. 7. Чему равно давление газа в закрытом сосуде при температуре 360 К, если при температуре 300 К оно равно 10® Па? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном приложении задания. § 32. Применение газов в технике / Какова зависимость между давлением и объёмом газа данной массы при постоянной температуре? / От чего зависит работа сжатого газа? 1. Вы уже знаете, что газы легко изменяют свой объём. Их можно сжать до давлений, в сотни и тысячи раз превосходящих атмосферное. Эта способность газов позволяет широко применять их в технике. 2. Сжатые газы получают в специальных машинах — комп- рессорах. Простейший компрессор схематически изображён на рисунке 83. Он состоит из толстостенного цилиндра i, в котором перемещается поршень 2. Воздух засасывается в цилиндр через клапан 3, затем сжимается поршнем при закрытых клапанах 3 и 4. Когда давление воздуха в цилиндре достигнет значения давления воздуха в трубопроводе 5, клапан 4 открывается и воздух поступает в трубопровод или в резервуар для сжатого воздуха. рис. 83 135 3. Сжатый воздух применяют в строительстве. Так, с помощью струи сжатого воздуха в специальные шланги поступает песок. Он вырывается из шлангов под давлением, направляется на стену дома и снимает с неё старую краску. Сжатый воздух может гнать по шлангу краску и распылять её на поверхность стены. Существуют различные инструменты, работающие на сжатом воздухе: это пневматические свёрла, молотки для клёпки, отбойные молотки, с помощью которых бурят скважины, прокладывают туннели. Сжатым воздухом наполнены шины велосипедов, автомобилей и автобусов, что позволяет смягчать толчки при наезде на камень или бугорок. Сжатый воздух используется в тормозах железнодорожных составов и грузовых автомобилей. Оказывая давление на поршень, он открывает двери поездов и автобусов. 4. Газы используют в двигателях, установленных в автомобилях, в самолётах. При сгорании горючей смеси давление газа в двигателе резко возрастает, газ расширяется и совершает работу. Многие процессы, происходящие в двигателях, подчиняются законам, описывающим изменение состояния газа, которые вам уже известны. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какое свойство газов способствует их применению в технике? 2. Почему газы хорошо сжимаемы? 3. Приведите примеры применения газов в технике и в быту. § 33. Тепловое расширение твёрдых тел и жидкостей / Каково строение жидкостей и твёрдых тел? / Что происходит с молекулами вещества при повышении температуры? 1. Кроме теплопроводности, одним из тепловых свойств твёрдого тела является его расширение при нагревании. Вспомните опыт с металлическим шаром, который проходил через кольцо при комнатной температуре (см. рис. 3) и застревал в нём, когда шар нагревали. Это говорит о том, что объём шара при нагревании увеличивался. Изменение размеров тела при его нагревании называют тепловым расширением. У твёрдого тела различают линейное расширение — изменение длины, ширины, высоты тела (его линейных размеров) и объёмное расширение — изменение объёма при нагревании. 136 Различные твёрдые вещества по-разному расширяются при нагревании: одни больше, другие меньше. Тепловое расширение характеризуется величиной, называемой температурным коэффициентом расширения. 2. Длина I тела при нагревании от О °С до температуры t °С вычисляется по формуле: I = 1^(1 + ро, где Iq — длина тела при температуре О °С, р — температурный коэффициент линейного расширения. Этот коэффициент показывает, во сколько раз от своего первоначального значения изменяется линейный размер тела при его нагревании на 1 ®С. Единицей температурного коэффициента линейного расширения является градус в минус первой степени (1 град“^ или 1 К~^). Температурные коэффициенты линейного расширения для большинства веществ измерены и приведены в специальных таблицах. 3*. Объём V тела при нагревании от О °С до температуры t °С вычисляется по формуле: V = V^(l + at), где Vq — объём тела при температуре О °С, а — температурный коэффициент объёмного расширения, его единицей является 1 гpaд“^ или 1 К“^. Например, температурный коэффициент объёмного расширения алюминия при 20 °С равен 13,7*10“® град“Ч олова — 21,4*10“® град“^, бетона — примерно 12*10“® град“^, эбонита — 70 * 10“® град“^. 4*. Поликристаллы одинаково расширяются по всем направлениям. Для них температурный коэффициент объёмного расширения приблизительно в 3 раза больше температурного коэффициента линейного расширения (а = 3|3). Монокристаллы по-разному расширяются в разных направлениях. Если вырезать шар из какого-либо монокристалла и нагреть, то он превратится в эллипсоид (примет вытянутую форму). У некоторых веществ температурные коэффициенты линейного расшире- 137 ния для разных направлении различаются довольно существенно. Так, у гипса он для трёх направлений равен соответственно 1,6 * 10“®град"Ч42 • 10~® град~Ч 29 • 10“®град“Ч Существуют монокристаллы, у которых по некоторым направлениям температурный коэффициент линейного расширения имеет отрицательные значения. Это значит, что при нагревании в этих направлениях кристаллы сжимаются, а в других расширяются. 5. Тепловое расширение твёрдых тел учитывается в технике. Железнодорожные рельсы так же, как и все тела, меняют свою длину при охлаждении и нагревании. Если бы рельсы были плотно пригнаны друг к другу, то при изменении температуры в них возникали бы огромные напряжения, которые могли бы привести к разрушению путей. Поэтому, укладывая рельсы между участками длиной 100—150 м, оставляют зазор. Зимой этот зазор увеличивается, а летом уменьшается. Тепловое расширение используют, если нужно одну деталь плотно насадить на другую, например колесо на вал (рис. 84). Диаметр отверстия в колесе делают чуть меньше диаметра вала. При нагревании колесо расширяется, и его свободно насаживают на вал. Остывая, колесо сжимается и плотно охватывает вал. Если тело нагревается неравномерно, то разные его участки расширяются по-разному. В теле возникают напряжения, оно деформируется и может разрушиться. По этой причине лопается стеклянный стакан, когда в него наливают кипяток. В настоящее время существуют специальные стёкла, которые очень незначительно расширяются при повышении температуры. Таким является кварцевое стекло, которое на 96—99% состоит из кварца. Кварцевое стекло делают из горного хрусталя — особо чистого кварца. А обычное стекло изготавливают из смеси кварцевого песка, соды и мела. Если изготовить палочки длиной 10 см из кварцевого и из обыкновенного стекла и нагреть их на 100 °С, то палочка из обычного стекла удлинится на 0,01 см, а палочка из кварцевого стекла — всего на 0,0005 см. Поэтому в посуде из кварцевого стекла можно кипятить воду. Свойство тел, изготовленных из разных веществ, по-разному изменять свою длину при нагревании также широко используется. 138 а) б) железо Рис. 85 Возьмём две пластины, изготовленные, медь например, из меди и железа, соединим их (рис. 85, а) и будем нагревать. Медная пластина расширяется сильнее, чем железная, поэтому они прогнутся (рис. 85, б). Такие пластины называют биметаллическими. Их используют в термометрах, в регуляторах температуры. Например, в регуляторе температуры биметаллическая пластина, нагреваясь до предельно допустимой температуры, изгибается и размыкает цепь. В результате этого дальнейшее нагревание не происходит. 6. Жидкости, так же как и твёрдые тела, расширяются при нагревании. Поскольку они не имеют определённой формы, то нельзя говорить о линейном расширении жидкостей. Их объёмное расширение можно наблюдать на следуюгцем опыте. Возьмём колбу, наполним её водой. Закроем колбу пробкой со вставленной в неё трубкой (рис. 86). При нагревании вода начнёт подниматься по трубке в колбе. Тепловое расширение жидкостей объясняется увеличением средних расстояний между положениями равновесия её молекул. Различные жидкости при нагревании расширяются по-разному: керосин, например, расширяется сильнее, чем вода. б) 139 7*. Пусть при температуре О °С жидкость имела объём Fq, а при температуре t °С — объём V. Тогда объём жидкости при нагревании вычисляется по формуле: F = Fo(l + aO. где а — температурный коэффициент объёмного расширения жидкости. Его единицей является 1 град”^ или 1 К“^. Значения температурного коэффициента объёмного расширения для разных жидкостей различны и лежат в пределах от 10“^ до 10"^град“^. Он примерно в 10^ раз больше, чем температурный коэффициент объёмного расширения твёрдых тел. Например, температурный коэффициент объёмного расширения ртути 0,18 • 10“^град“^ эфира — 1,7 • град'Ч воды (при 20 °С) — 2,1 • Ю"'* град"^ Сравнив значения температурного коэффициента объёмного расширения ртути и эфира, можно заметить, что для ртути он примерно в 10 раз меньше. Это означает, что при изменении температуры на 1 °С относительное изменение объёма ртути в 10 раз меньше, чем объёма эфира. Сравнение значений температурного коэффициента объёмного расширения жидкостей и твёрдых тел показывает, что для эфира он примерно в 100 раз больше, чем для алюминия. 8. Тепловое расширение жидкостей, так же как и твёрдых тел, учитывают и в технике, и в быту. Если жидкость, доверху заполняющая закрытый сосуд, нагревается, то из-за высокого давления сосуд может разорваться. Поэтому баки, в которых нагревают жидкости, делают из материала с большим температурным коэффициентом расширения. Цистерны, в которых перевозят жидкости, не заполняют доверху. 9. Все жидкости достаточно равномерно расширяются с повышением температуры. Исключение составляет вода. Вода расширяется только при нагревании до температуры выше 4 °С. При нагревании от о до 4 °С она сжимается, её объём уменьшается, а плотность увеличивается. Наибольшую плотность вода имеет при 4 °С. На рисунке 87 приведён график зависимости плотности воды от температуры. Пусть вода имеет низкую температуру. Под действием солнечных лучей верхние слои воды нагреваются, предположим, до тем- 140 пературы 2 °С. Плотность воды в этом слое больше, чем в слое, лежащем ниже и имеющем температуру О °С. Нагретая вода опускается вниз. Её место занимает вода, имеющая более низкую температуру. Таким образом, происходит непрерывная смена слоёв воды и равномерное прогревание всей её толщи. Это будет происходить, пока температура воды не станет равной 4 °С. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся менее плотными и остаются вверху. Поэтому большие толщи воды прогреваются быстро лишь до 4 °С, дальнейшее прогревание нижних слоёв идёт медленно из-за плохой теплопроводности и отсутствия конвекции. Охлаждение воды до 4 °С идёт быстро, а дальнейшее охлаждение замедляется по той же причине. Это приводит к тому, что глубокие водоёмы, начиная с некоторой глубины, имеют температуру 2—3 °С. Даже зимой вода в водоёмах не промерзает до дна. Верхние более холодные слои воды опускаются вниз, а тёплые занимают их место. Такое перемещение происходит до тех пор, пока температура воды не станет равной 4 °С. При дальнейшем охлаждении верхние слои не будут опускаться вниз и постепенно замёрзнут. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что происходит с твёрдыми телами и жидкостями при нагревании? 2. Какая величина характеризует свойство различных веществ, из которых сделаны тела, по-разному расширяться при нагревании? 3*. Сравните тепловое расширение монокристалла и поликристалла. 4. Чем отличается кварцевое стекло от обычного? 5. Что такое биметаллическая пластина? Как она действует? Где применяется? 6. Как учитывают тепловое расширение жидкостей? 7. Каковы особенности теплового расширения воды? 8. Почему зимой вода в водоёмах не промерзает до дна? Задание 32 1. Приведите примеры учёта теплового расширения твёрдых тел в технике и в быту. 2. Почему колёса поезда стучат при движении по рельсам? Когда этот стук сильнее — зимой или летом? 141 3*. Предложите конструкцию терморегулятора с использованием биметаллической пластины. 4*. На сколько градусов нужно нагреть медный стержень длиной 2 м, чтобы он удлинился на 1 мм? Температурный коэффициент линейного расширения меди 1,7 • град"Ч 63. Проделайте опыт, доказывающий, что твёрдые тела при нагревании расширяются. Возьмите монету, положите на дощечку и вбейте в дощечку два гвоздика, ограничивающих монету (рис. 88). Она должна проходить между гвоздиками. Возьмите монету щипцами и нагрейте. Проверьте, проходит ли нагретая монета между гвоздиками. Объясните результат опыта. Будьте осторожны! При нагревании монеты используйте только металлические щипцы, а также прихватку или салфетку, чтобы их держать. 63. Проделайте опыт, доказывающий, что вода при нагревании расширяется. 7*. Какой объём займёт керосин при 40 °С, если при 0 °С его объём равен 500 м^? Температурный коэффициент объёмного расширения керосина Ю^^град"^. Каким должен быть минимальный объём бака для этого керосина? § 34. Принципы работы тепловых двигателей / Какую физическую величину называют удельной теплотой сгорания топлива? / Что называют коэффициентом полезного действия? 1. Тепловые двигатели — это устройства, которые совершают механическую работу за счёт внутренней энергии топлива. Рассмотрим, как работает простейший тепловой двигатель. Проделаем опыт. Нальём в пробирку воды, закроем её пробкой и укрепим в штативе (рис. 89). Будем нагревать пробирку с водой. Когда вода закипит, образовавшийся над ней пар вытолкнет пробку из пробирки. Пар при этом совершит работу по переме-пдению пробки за счёт своей внутренней энергии. Мы таким образом получили про- 142 стейший тепловой двигатель. Однако этот двигатель может совершить лишь однократную работу. Чтобы он опять совершал работу, его нужно вернуть в первоначальное состояние. 2. Выясним, из каких частей состоит описанный выше двигатель. Пар совершал работу, он представляет собой рабочее тело. Рабочее тело (пар) получало энергию от нагревателя, в данном случае от спиртовки, в которой сгорает спирт (топливо), расширялось и совершало работу, выталкивая пробку. Чтобы вернуть рабочее тело в первоначальное состояние (сжать), его надо охладить, следовательно, нужно иметь холодильник, которому рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты. В данном случае роль холодильника играл окружающий воздух. Таким образом, в тепловом двигателе расширение рабочего тела происходит при более высокой температуре, чем сжатие. Любой тепловой двигатель состоит из рабочего тела, нагревателя и холодильника. На рисунке 90 изображена принципиальная схема теплового двигателя. Рабочим телом обычно является газ или пар, потому что они хорошо сжимаемы. Холодильником может служить окружающая среда. Рабочее тело получает энергию от нагревателя, совершает работу и отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику, возвращаясь в исходное состояние. 3. В тепловом двигателе превращается в механическую энергию только часть энергии, которую рабочее тело получает от нагревателя. Часть энергии передаётся холодильнику, а часть энергии идёт на совершение работы против сил сопротивления. Пусть Qj — количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя; Qg — количество теплоты, отданное холодильнику; А — совершённая двигателем работа. Тогда А = Q^ — Qg- Отношение совершённой двигателем работы Л к количеству теплоты, полученному им от нагревателя Qj, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) Т1: 143 Коэффициент полезного действия показывает, какая часть энергии, полученной от нагревателя, пошла на совершение работы. Обычно его выражают в процентах. 4. Для повышения коэффициента полезного действия теплового двигателя необходимо увеличить количество теплоты, которое он получает от нагревателя, и уменьшить количество теплоты, отдаваемое холодильнику. Количество теплоты, полученное от нагревателя, тем больше, чем выше его температура, а количество теплоты, отданное холодильнику, тем меньше, чем ниже его температура. Поэтому для повышения КПД двигателя следует повысить температуру нагревателя и понизить температуру холодильника. Кроме того, для повышения КПД необходимо уменьшить потери энергии через стенки двигателя, уменьшить трение в его рабочих частях. 5. В тепловых двигателях происходит передача некоторого количества теплоты от нагревателя холодильнику и при этом совершается работа. Существуют такие тепловые машины, в которых осуществляется обратный процесс: теплота передаётся от холодильника нагревателю, и работа в этом случае совершается внешними силами. Такие тепловые машины называют холодильными машинами или холодильниками. Типичным примером подобных машин является бытовой холодильник. Чтобы передать некоторое количество теплоты от холодильника нагревателю, необходимо расширение рабочего тела производить при более низкой температуре, чем сжатие. Рабочее тело, расширяясь при температуре холодильника, получает от него количество теплоты Qg- Внешние силы, производя работу А, сжимают рабочее тело при более высокой температуре. При этом рабочее тело передаёт нагревателю количество теплоты = А + Qg (рис. 91). Таким образом, при сжатии рабочего тела от холодильника забирается энергия и его температура понижается. Это, в частности, позволяет поддерживать низкую температуру в холодильной и морозильной камерах бытового холодильника. Для совершения внешними силами работы над рабочим телом необходимы затраты энергии. При работе бытового холодильника затрачивается электрическая энергия. 144 Вопросы для самопроверки 1. Какие двигатели называют тепловыми? 2. Каковы основные части теплового двигателя? 3. Почему рабочим телом двигателя является газ или пар? 4. Зачем в тепловом двигателе нужен холодильник? 5. Что называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя? 6. От чего зависит КПД теплового двигателя? 7. Что нужно сделать, чтобы повысить КПД теплового двигателя? Задание 33 1. Можно ли механическую энергию полностью превратить во внутреннюю энергию тела? 2. Можно ли внутреннюю энергию рабочего тела полностью превратить в механическую энергию? 3. Какие превращения энергии происходят при выстреле из винтовки? 4. Двигатель совершил работу 28 МДж, получив количество теплоты 70 МДж. Чему равен КПД двигателя? 5. Вычис.пите КПД двигателя, если он получил от нагревателя количество теплоты 150 МДж, а передал холодильнику 100 МДж. § 35. Двигатель внутреннего сгорания / Каково назначение в тепловом двигателе рабочего тела; нагревателя; холодильника? 1. Рассмотрим устройство и работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Преимуществом ДВС перед другими двигателями является то, что топливо сгорает внутри цилиндра двигателя. Это делает их более дешёвыми и экономичными, менее металлоёмкими. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания: карбюраторные и дизельные. В карбюраторном двигателе горючая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая смесь готовится в самом двигателе. 2. Двигатель внутреннего сгорания (рис. 92) состоит из цилиндра 1, в котором перемещается поршень 2, соединённый с шатуном 3. Шатун насажен на коленчатый вал 4 и приводит его во вращение при поступательном движении поршня в цилиндре. В верхней части цилиндра имеются два отверстия, в которые вставлены кла- 145 Рис. 92 паны 5 (впускной) и 6 (выпускной). Через них в цилиндр поступает горючая смесь и выходят отработавшие газы. 3. В четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания рабочий цикл состоит из g следующих четырёх тактов. I такт — впуск. Во время этого такта про-2 исходит движение поршня вниз от верхней мёртвой точки в нижнюю мёртвую точку. Мёртвыми точками называют крайнее верхнее и нижнее положение поршня в цилиндре двигателя. Давление газа в цилиндре над поршнем при его движении вниз уменьшается, и в него через клапан 5 поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Второй клапан 6 при этом закрыт. Когда поршень придёт в нижнюю мёртвую точку, закроется и впускной клапан. II такт — сжатие. Поршень движется из нижней точки вверх, клапаны остаются закрытыми, и рабочая смесь или воздух сжимается. В результате сжатия температура горючей смеси в карбюраторных двигателях достигает 300—350 °С, а воздуха в дизельных двигателях — 500—600 °С. При приближении поршня к верхней мёртвой точке в свече зажигания 7 карбюраторного двигателя проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельных двигателях в сильно нагретый воздух впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется. III такт — рабочий ход. При сгорании горючей смеси выделяется большое количество теплоты, резко повышаются давление и температура газа. Поскольку этот процесс осуществляется очень быстро, то можно считать, что изменение давления и температуры газа происходит при постоянном объёме. Затем газ расширяется: его объём увеличивается, а давление уменьшается при неизменной температуре. Расширяясь, газ толкает поршень и соединённый с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. При этом газ охлаждается, так как часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию. IV такт — выпуск. После того как поршень придёт в нижнюю мёртвую точку, давление в цилиндре уменьшится. При движении 146 Рис. 93 поршня вверх открывается клапан 6, и начинается выпуск отработавших газов. В конце четвёртого такта клапан 6 закрывается. Затем цикл повторяется. Из четырёх тактов только один — третий — является рабочим. Для того чтобы поршень переходил нижнюю и верхнюю мёртвые точки, на коленчатый вал насаживают массивный маховик 8. Благодаря его инертности коленчатый вал сразу не прекращает вращение. И поршень проходит мёртвые точки. 4. Двигатели внутреннего сгорания используют в автомобилях, комбайнах, тракторах, тепловозах, теплоходах. Обычно двигатель состоит из четырёх (рис. 93) или восьми цилиндров. В четырёхцилиндровом двигателе в каждом из цилиндров поочерёдно осуществляется рабочий ход, и коленчатый вал всё время получает энергию от одного из поршней, поэтому его вращение происходит непрерывно, без остановок. В настоящее время четырёхтактные карбюраторные двигатели устанавливаются только на автомобилях. На современных марках тракторов, теплоходов и тепловозов их место заняли дизельные двигатели ввиду большей экономичности последних. Мощность таких двигателей достигает нескольких тысяч киловатт. Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания имеют довольно низкий КПД — от 21%; КПД дизельных двигателей выше — до 42% . Вопросы для самопроверки 1. Как устроен двигатель внутреннего сгорания? 2. Из каких тактов состоит работа двигателя внутреннего сгорания? 3. Какой из тактов называют рабочим ходом? 4. Чем отличается карбюраторный двигатель внутреннего сгорания от дизельного? 5. Что является рабочим телом, нагревателем и холодильником в двигателе внутреннего сгорания? 6. Какие преобразования энергии происходят при работе двигателя внутреннего сгорания? 147 7. В каких видах транспорта применяют двигатели внутреннего сгорания? 8. Зачем на ось коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания насаживают маховик? Задание 34 1. Почему между поршнем и стенкой цилиндра двигателя внутреннего сгорания оставляют зазор? 2. Когда внутренняя энергия газа в цилиндре двигателя внутреннего сгорания больше — при проскакивании искры или в конце рабочего хода? 3. Размер махового колеса зависит от числа цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Какова эта зависимость? Чем она обусловлена? 4. Двигатель внутреннего сгорания совершил работу, равную 55,2 МДж, и израсходовал при этом 6 кг бензина. Чему равен коэффициент полезного действия этого двигателя? 5. Подумайте, каково влияние работы двигателя внутреннего сгорания на состояние окружающей среды. § 36. Паровая турбина. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды / Какое превращение энергии происходит в тепловом двигателе? 1. Паровая турбина — другой тип теплового двигателя, который широко применяют на современных тепловых электростанциях. Паровая турбина представляет собой насаженный на вал 1 (рис. 94) массивный диск 2, на котором укреплены лопасти 3. На лопасти поступает пар из сопла 4. Работает турбина следуюш;им образом. Пар, полученный в паровом котле, имеет температуру, близкую к 600 °С. Он направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара происходит преврапдение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара, обладаюпдая большой кинетической энергией, поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей энергии, приводя турбину во врапдение. Вал и диск с лопастями образуют ротор турбины, который поме-пдается в корпусе. По всей поверхности корпуса устанавливаются сопла. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждый из кото- 148 Рис. 94 Рис. 95 рых получает часть энергии пара. Благодаря этому вал с насаженными дисками приходит в быстрое вращение, которое передаётся генератору электрического тока (турбогенератору). На рисунке 95 показан ротор паровой турбины. 2. Турбины имеют ряд преимуществ по сравнению с другими тепловыми двигателями. Они выгодны и экономичны, поскольку используют в качестве рабочего тела водяной пар, а для его получения возможно применение любого, в том числе и достаточно дешёвого, топлива. Кроме того, турбины позволяют получать довольно большие мощности, а их КПД составляет 30^40%. 3. При работе тепловых двигателей продукты сгорания топлива уходят в атмосферу. Подсчитано, что только в Москве двигателями автомобилей за сутки в атмосферу выбрасывается несколько сотен тонн вредных веществ; концентрация окиси углерода вблизи основных транспортных магистралей превышает норму более чем в 10 раз, окислов азота — в 16 раз. Эта ситуация усугубляется тем, что в двигателях автомобилей часто используют некачественное горючее, сами двигатели автомобилей порой являются неисправными. Понятно, что всё это оказывает неблагоприятное влияние на здоровье людей, на окружающую природную среду. Выбросы продуктов сгорания топлива сопровождаются выделением в атмосферу энергии. Это приводит к изменению теплового баланса Земли. Тепловой баланс предполагает, что энергия, которую получает поверхность Земли от Солнца, равна энергии, которую Земля теряет при излучении, испарении, таянии льда и снега и т. д. Выброс энергии в атмосферу нарушает существующий баланс. 149 и результатом этого является изменение климата. Большое влияние на климат оказывают колебания в атмосфере концентрации углекислого газа (COg), повышение которой приводит к парниковому эффекту. Парниковый эффект проявляется в том, что углекислый газ задерживает энергию излучения Земли. Соответственно температура нижнего слоя атмосферы повышается. Предполагается, что к 2030 г. средняя температура на Земле повысится на 2,6 °С. Большой вред окружающей среде наносят тепловые электростанции. При их эксплуатации происходят значительные выбросы твёрдых, жидких и газообразных веществ, загрязняющих атмосферу. На физико-химический состав атмосферы влияет работа электростанций, потребляющих бурый уголь. Они выбрасывают в атмосферу серу, которая выпадает на землю в виде осадков. Кроме серных осадков тепловые электростанции вместе с дымом выбрасывают радиоактивный изотоп углерода. В глобальную проблему превратилось выпадение кислотных осадков, содержащих большое количество двуокиси серы и окислов азота. Эти осадки снижают урожай, губят растительность, уничтожают жизнь в водоёмах, разрушают здания. В результате, например, зелёный покров нашей планеты ежегодно сокращается на 1% . 4. Рассмотренные экологические проблемы ставят перед человечеством задачу разработки таких технологий, создания таких машин и механизмов, использование которых не оказывало бы пагубного влияния на окружающую среду. Так, многие автомобили переводят на использование в двигателях газового топлива. Оно имеет целый ряд преимуществ перед бензином. В частности, добыча газа требует меньших трудовых и материальных затрат. Его использование увеличивает срок службы двигателя, сокращает расход топлива и, самое главное, существенно уменьшает вредное влияние отработавших газов. Перспективными являются двигатели, работающие на водороде. Высокая удельная теплота сгорания водорода делает двигатель более экономичным. При горении водорода образуется водяной пар, поэтому отсутствуют вредные выбросы. Такой двигатель является экологически чистым. Ведётся борьба и с вредными выбросами тепловых электростанций. Для их снижения устанавливают специальное оборудование по улавливанию окиси серы, выходящей из дымовых труб. Это позволяет снизить выброс вредных веществ в атмосферу на треть. 150 Таким образом, научно-технический прогресс, с одной стороны, облегчает труд и жизнь человека, с другой — приводит к ухудшению экологической обстановки на планете. Темпы его в настоящее время таковы, что природа сама восстанавливаться и тем самым поддерживать необходимые для всего живого, в том числе и для человека, условия жизни не может. Поэтому важнейшей задачей человечества является охрана окружающей среды. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Из каких частей состоит турбина? Как она работает? 2. Какие преобразования энергии происходят при работе турбины? 3. Что является нагревателем, рабочим телом и холодильником турбины? 4. Какими преимуществами обладает турбина по сравнению с двигателем внутреннего сгорания? 5. В чём причина загрязнения окружающей среды при работе тепловых двигателей? 6. Что такое парниковый эффект? Как он образуется и к каким последствиям приводит? 7. Каковы направления совершенствования автомобильных двигателей? Задание 35 1. Изменяется ли давление пара при его движении в соплах паровой турбины? 2. Почему температура отработавшего пара в турбине меньше температуры пара, падающего на её лопасти? 3. В одной паровой турбине используется ^ энергии, выделяющейся при сгорании топлива, а в другой — ^ . КПД какой турбины больше? 4 Определите КПД каждой турбины, 4*. В одну из паровых турбин поступает пар при температуре 250 °С, в другую — при температуре 500 ®С. Какая турбина имеет больший КПД, если температура отработавшего пара у них одинакова? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенный в электронном приложении тест № 5. 151 Темы докладов и проектов 1. Жизнь речных животных в водоёмах в зимнее время года. 2. Перспективы развития тепловых двигателей. 3. Влияние работы тепловых двигателей на экологию Земли. 4. Учёт и использование теплового расширения в технике. 5. Конструирование теплового двигателя. Основное в главе 1. Состояние газа характеризуется величинами: р, V, Т. При изменении состояния газа меняются значения этих величин. Связь между ними для газов представлена в таблице 21. Таблица 21 й; S "й ^ а* 5 i К о ж 2 ^ ^ ^ ? ^ 3 S Й о, 3 2 с о; 3 S 3" 0 а ::: =»* 1 ® Связь между величинами График процесса т, Т P.V pV = const Р Р\^1=Р‘2^2 О V V т,р V, т V ТЛ 1 — = const / T’l т. / О т 152 Окончание табл. 21 й. 2 S >4 ■« >J * X ? 2 ^ ^ S g 3 S' а: 0 3 S § S 1 ^ Связь между величинами График процесса т, V Р,т ^ = const Р . Pi Рг / т, т. / О , т 2. Изменение линейных размеров твёрдых тел и объёма твёрдых тел и жидкостей при нагревании выражается формулами, представленными в таблице 22. Таблица 22 Твёрдые тела Жидкости Линейное расширение* Объёмное расширение* Объёмное расширение* 1 = (оО + РО V=V^{\ + at) V=V^a + o.t) 3. Тепловые двигатели — устройства, которые совершают механическую работу за счёт внутренней энергии топлива. 4. Основные части теплового двигателя: 1 Qx НАГРЕВАТЕЛЬ 1 РАБОЧЕЕ ТЕЛО ХОЛОДИЛЬНИК 1 153 Зтл I 1 тт ^^1 ^^2 . КПД теплового двигателя: Л = тт- = —тт—^ • 6. Характеристики тепловых двигателей (табл. 23). Таблица 23 Вид двигателя Коэффициент полезного действия Мощ- ность Область применения Двигатель До 25% Около Автомобили, мото- внутреннего сгорания (автомобиль- ный) 60 кВт циклы, сельскохозяйственная техника, автобусы, теплоходы, тепловозы и др. Паровая турбина До 40% До 1200 МВт Турбогенераторы Электрические явления Об особых явлениях природы, называемых электрическими, люди знают уже несколько тысяч лет. Однако объяснить большинство из них оказалось совсем не просто. Только к середине XIX в. появилась теория, которая смогла не только объяснить, но и предсказать множество новых явлений и фактов. С изучения простейших электрических явлений вы начинаете знакомство с этой областью физического знания. § 37. Электрический заряд. Электрическое взаимодействие / Как взаимодействуют заряженные тела? 1. Электрические явления, происходящие в природе, в повседневной жизни, в технике, хорошо вам известны. Разряд молнии, разлетающиеся и потрескивающие при расчёсывании пластмассовой расчёской сухие волосы, огни городов и посёлков и т. д. — всё это явления, связанные с тем, что принято называть словом «электричество». Причины этих явлений очень разные. 2. Рассмотрим сначала наиболее простые явления. Для этого проделаем опыт. Возьмём стеклянную палочку и потрём её о лист бумаги. Палочка приобретёт свойство притягивать к себе лёгкие бумажки, пушинки, тонкие струйки воды. Если приблизить такую палочку к руке, то можно услышать лёгкий треск, а в темноте — даже увидеть искорки. 155 Способностью притягивать к себе лёгкие тела обладает не только потёртая о бумагу стеклянная палочка, но и многие другие вещества. Любопытно, что ещё в Древней Греции учёные проводили подобные опыты, натирая шерстью кусочки янтаря. Именно благодаря слову «янтарь» (по-гречески «янтарь» — электрон) и образовались слова «электричество», «электрический», «электризация» и т. д. Тела, которые в результате трения приобретают свойство притягивать к себе другие тела, называют наэлектризованными или заряженными. В этом случае говорят, что телам сообщён электрический заряд. 3. Продолжим наши несложные опыты. Из металлической фольги сделаем лёгкий небольшой шарик и подвесим его на шёлковой нити. Теперь дотронемся стеклянной палочкой, потёртой о бумагу, до этого шарика (рис. 96). Шарик оттолкнётся от палочки, отклонится на некоторый угол и останется в этом положении. То же самое произойдёт, если повторить опыт, но вместо стеклянной взять эбонитовую или пластмассовую палочку, потереть её шерстью или кусочком меха и дотронуться до другого такого же шарика. Если поднести теперь друг к другу эти наэлектризованные шарики, то они сразу же притянутся (рис. 97). Попробуйте предсказать, изменится ли характер взаимодействия наэлектризованных шариков, если их зарядить одной и той же палочкой (всё равно какой). Правы будут те, кто предположил, что они оттолкнутся друг от друга. Это можно проверить на аналогичном опыте. Таким образом, наэлектризованные или заряженные тела взаимодействуют между собой. Взаимодействие заряженных тел называют электрическим. Характер их взаимодействия может быть раз- т Рис, 97 156 ным: они либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга, взаимодействуя при этом сильнее или слабее. 4. Причина разного характера взаимодействия наэлектризованных тел заключается в том, что в природе существуют два рода электрических зарядз:ов, имеющих противоположные знаки: положительный (+) и отрицательный (—). Все наэлектризованные тела обладают определённым положительным или отрицательным зарядом. И значение заряда может быть разным. Значит, электрический заряд — это физическая величина, которая может иметь положительное или отрицательное значение. Заряд обозначают буквой q. За единицу электрического заряда принят кулон (1 Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона (1736—1806), открывшего основной закон взаимодействия электрически заряженных тел. 5. Приписывание заряду положительного и отрицательного значения условно. Просто договорились считать, что заряд, приобретённый стеклянной палочкой, потёртой о бумагу (или шёлк), — положительный, а заряд, полученный на эбонитовой палочке (или янтаре), потёртой о мех, — отрицательный. Итак, многочисленные опыты убедили учёных (а эксперименты, описанные выше, это подтвердили), что тела, имеющие электрические заряды одинакового знака (одноимённые), взаимно отталкиваются, а тела, обладающие зарядами противоположного знака (разноименными), взаимно притягиваются. 6. На явлении отталкивания заряженных тел основан принцип действия простейшего прибора, при помощи которого выясняют, наэлектризовано ли тело. Этот прибор называют электроскопом (рис. 98). Он состоит из металлического стержня, к концу которого прикреплены две тонкие бумажные полоски. Стержень с бумажными листочками вставляется в металлическую оправу, застеклённую с обеих сторон. Чтобы стержень не касался оправы, его пропускают через пластмассовую пробку. Если заряженным телом или палочкой дотронуться до стержня электроскопа, то бумажные листочки оттолкнутся друг от друга. При этом чем более наэлектризовано тело, тем на больший угол они разойдутся. Значит, по изменению угла, на который расходятся листочки электроскопа, можно судить о степени наэлектризованности тела. 157 Вопросы для самопроверки 1. Какие тела называют наэлектризованными (или заряженными)? 2. Как взаимодействуют стеклянная палочка, потёртая о бумагу, и заряженный ею шарик? Изменится ли характер взаимодействия между шариком и палочкой, если взять эбонитовую палочку, потёртую о шерсть? 3. Какие два рода электрических зарядов существуют в природе? 4. Какой электрический заряд условились считать положительным, а какой — отрицательным? 5. Как взаимодействуют тела, имеющие одноимённые электрические заряды; разноимённые? 6. Какое взаимодействие называют электрическим? 7. Каков принцип действия электроскопа? Задание 36 1. в школьном кабинете физики имеется электроскоп более сложной конструкции, чем тот, который был описан в тексте параграфа. Он называется электрометром. Внимательно рассмотрите рисунок 99, на котором изображён электрометр, и сравните его с электроскопом (см. рис. 98). Что общего у этих приборов и каковы различия между ними? 2з« Изготовьте дома электроскоп. Для этого возьмите стеклянную банку и длинный металлический гвоздь (или кусок толстой проволоки). С помощью шёлковой нити прикрепите на конце гвоздя лёгкие бумажные листочки. Пропустите гвоздь через пластмассовую или резиновую пробку, как показано на рисунке 100. (Можно воспользоваться обычной пластмассовой крышкой д.тя банок.) Проведите с помощью такого прибора эксперимент. В каких случаях вам удастся зарядить электроскоп? ж Рис. 101 158 Рис. юз 3. Как можно обнаружить, что тело заряжено, не имея в своём распоряжении никаких электрических приборов? Ответ поясните, 4,. Рассмотрите рисунок 101. На нём изображена струя воды, к которой поднесена наэлектризованная палочка. Что происходит со струёй воды? Почему? Проделайте этот опыт дома. Вместо палочки возьмите пластмассовую расчёску или ручку. Сосуд сделайте из консервной банки, пробив дырочку около дна. Можно пустить тонкую струйку воды из водопроводного крана. 5. Дотронувшись палочкой до электроскопа, его зарядили (рис. 102). Определите, каков знак заряда на палочке. Пунктиром показано первоначальное положение листочков электроскопа. 6. На рисунке 103 изображены две взаимодействующие наэлектризованные па.точки. Что вы можете сказать о зарядах этих палочек? Из каких материалов они могут быть сделаны? 7. Определите знак заряда шара А в каждом из изображённых на рисунке 104 случаев. В В В Рис. 104 159 X Рис. 105 § 38. Делимость электрического заряда / Каков принцип действия электроскопа? / Как зависит угол, на который расходятся листочки электроскопа, от сообщённого ему заряда? 1. Вы уже знаете, что электрический заряд — это физическая величина, и знаете единицу заряда. Выясним, какова природа электрического заряда. Для этого проделаем опыт. Заряженный электроскоп 1 соединим металлической палочкой, укреплённой в пластмассовой ручке, с незаряженным электроскопом 2 (рис. 105). Часть заряда, точнее, половина (поскольку электроскопы одинаковые), перейдёт с электроскопа 1 на электроскоп 2. Теперь разъединим электроскопы и разрядим второй из них, коснувшись рукой. Его листочки опадут, фиксируя отсутствие заряда. Затем снова присоединим второй электроскоп к первому, на котором осталась половина первоначального заряда. Отклонившиеся, но уже на меньший угол, листочки опять показывают присутствие заряда на обоих электроскопах. На каждом из них уже только по четверти первоначального заряда. Очевидно, что, продолжая подобное деление, можно получить одну восьмую, одну шестнадцатую и т. д. часть начального заряда. Интересно, как долго можно дробить первоначальный заряд? Су-ш;ествует ли предел подобного деления? Школьные электроскопы — не очень чувствительные приборы. Довольно скоро заряд на шаре электроскопа настолько уменьшится, что электроскоп перестанет его фиксировать и листочки электроскопа не будут расходиться. Из истории физики известно, что уже 100 лет назад учёные умели делить заряд. Но самым важным для них было выяснить: существует ли в природе наименьший заряд, т. е. такой, который разделить уже невозможно? 2. Размышляя о делимости заряда и проделав ряд опытов, с которыми вы познакомитесь в старших классах, английский учёный Джозеф Джон Томсон (1856—1940) в 1897 г. пришёл к выводу: в природе существует частица, имеющая наименьший 160 электрический заряд. Эту частицу назвали электроном. Заряд электрона отрицателен и равен 1,6 • 10"^^ Кл. Любой другой заряд, которым обладает тело, кратен заряду электрона, т. е. он может быть больше заряда электрона только в целое число раз. 3. Вы уже знаете, что вещества в природе состоят из атомов и молекул. Но и атомы, и молекулы в обычном состоянии электрически нейтральны. Что же тогда такое «электрон»? Каковы его масса и размеры? Где он находится? Каковы его свойства и особенности? Учёные всего мира проделали огромное число экспериментов для того, чтобы ответить на все эти вопросы. С результатами экспериментов вы познакомитесь позже. Отметим лишь основные свойства электрона. Электрон — очень маленькая частица, гораздо меньше атома или молекулы. Масса электрона — 9,1 • 10"^^ кг — в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, наименьшей из всех молекул. Электрон входит в состав атома вещества и находится внутри атома. Но он может и выйти из атома, стать свободным и двигаться в веществе (например, в металле), а может даже при определённых условиях, например при нагревании, выйти из вещества. Так, луч в электронной трубке, создающий изображение на экране телевизора или компьютера, — это поток электронов, вырвавшихся из вещества. 4. И наконец, обращаем ваше внимание на то, что электрический заряд не существует сам по себе. Частица может и не иметь заряда, но носителем заряда может быть только частица. Заряд без частицы не существует. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что такое электрон? Каков его заряд? 2. Как на опыте показать, что электрический заряд можно разделить? 3. Можно ли электрический заряд делить бесконечно? 4. Можно ли сообщить очень маленькому телу заряд меньший, чем заряд электрона; заряд больший, чем заряд электрона, в 1,5 раза? 5. Может ли электрический заряд существовать без электрона или без какой-либо другой частицы вещества? Ответ поясните. Задание 37 1. Как вы объясните, что незаряженный лёгкий шарик из фольги сначала притягивается к наэлектризованной палочке и касается её, а потом от неё отталкивается? 161 Рис. 106 2. Как известно, отделить часть заряда электрона невозможно. В чём здесь причина? Может быть, экспериментальные возможности учёных ещё недостаточны для этого? Ответ поясните. 3. Как вы думаете, почему мы считаем, что электрон — это частица вещества? Может быть, это какое-либо эфемерное существо с голубым бантиком или фантастический прищелец из космоса (надеемся, что воображение подскажет вам более интересные варианты)? Выдвигайте гипотезы и пытайтесь их подтвердить или опровергнуть. 4*. Рассмотрите внимательно фотографию, на которой зафиксированы следы, оставленные движущимися заряженными частицами (рис. 106). Следы i и 2 соответствуют электронам. Образование таких следов электронов аналогично образованию следов, остающихся после летящего на больщой высоте самолёта. Какую информацию об электроне, характере его движения может вам дать подобная фотография? § 39. Строение атома / Имеет ли атом заряд? / Каков заряд электрона? 1. Для того чтобы понять, в чём состоит причина электрических явлений, в том числе и электризации, необходимо рассмотреть строение вещества. Вы именно так и поступали, изучая тепловые явления: сначала наблюдали их, а затем объясняли, используя знания о строении вещества. Однако для объяснения электрических явлений знаний о том, что вещество состоит из молекул и атомов, недостаточно. Ведь атом — частица нейтральная, а электрон, который входит в состав атома, заряжен отрицательно. Возникает вопрос: какое строение имеет атом, почему он нейтрален, хотя в его состав входит отрицательно заряженная частица — электрон? 2. Большой вклад в изучение строения атома внёс английский физик Эрнест Резерфорд (1871 —1937). На основании результатов проведённых опытов Резерфорд сделал вывод о том, что внутри любого атома есть положительно заряженная центральная часть — атомное ядро. Кроме того, в состав любого атома входит определённое число электронов, которые движутся вокруг ядра по орбитам. Предложенная Резерфордом модель строения атома очень похожа на Солнечную систему: в её центре находится Солнце, вокруг которого вращаются планеты. С помощью подобной модели, названной планетарной, можно объяснить лишь 162 €) © е Рис. 107 самые простые явления. На самом деле строение атома гораздо сложнее. 3. Поскольку атом — частица нейтральная, сумма всех отрицательных зарядов электронов равна положительному заряду ядра. Ядро любого атома — тоже образование сложное. Оно состоит из положительно заряженных частиц — протонов и нейтральных — нейтронов. Заряд протона равен по модулю заряду электрона. Следовательно, число протонов в атоме равно числу электронов в нём. На рисунке 107 представлены модели атомов водорода, гелия и лития. Электрон на рисунке отмечен значком «-», протон — значком «-1-», а электрически нейтральный нейтрон не имеет в центре никакого значка. Число протонов и нейтронов, а следовательно, и электронов у атомов различных веществ разное и может быть достаточно большим. Так, в атоме кислорода — 8 электронов, а вокруг ядра урана движется 92 электрона. 4. Основная масса любого атома сосредоточена в ядре, поскольку электрон — очень лёгкая частица по сравнению с протоном и нейтроном (их массы почти одинаковы). Так, масса электрона в 1840 раз меньше массы протона. 5. Если каким-либо способом удалить из атома (рис. 108, а) один или несколько электронов (рис. 108, б), то у атома окажется избыток положительного заряда. Полученную частицу называют положительным ионом. Если атом присоединит избыточные электроны (рис. 108, в), то получится отрицательный ион. Помните, что рисунки показывают лишь модели реальных атомов и ионов. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Каково строение атома? 2. Какие частицы входят в состав ядра атома? 163 а) б) Рис. 108 в) 3. Сравните три частицы: электрон, протон и нейтрон. Что у них общего, чем они различаются? 4. Используя рисунок 107, расскажите, каково строение атомов водорода, гелия и лития. 5. Как образуются положительные и отрицательные ионы? 6. Как вы думаете, почему, изображая на рисунке строение атомов (или ионов), говорят о том, что это лишь модели, а не реальные частицы? Задание 38 1. в ядре атома азота содержится 14 частиц, 7 из них — нейтроны. Сколько протонов и электронов в атоме азота? 2. Чем отличаются друг от друга ядра различных химических элементов? Выберите правильный ответ. 1) Числом электронов. 2) Числом протонов в ядре. 3) Числом нейтронов в ядре. 4) Числом нейтронов и протонов. 3. Как вы думаете, можно ли бы.чо назвать заряд электрона положительным, а заряд протона — отрицательным? Свой ответ поясните. 4. Если телу, заряженному положительно, сообщить такой же по модулю отрицательный заряд, то те.чо окажется электрически нейтральным. Можем ли мы утверждать, что заряды в этом теле исчезли? Ответ обоснуйте. 5. Атом хлора присоединил один электрон. Как называют полученную частицу? Каков её заряд? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном приложении задания. 164 § 40. Электризация тел / Как можно определить, что тело наэлектризовано? / Как взаимодействуют одноимённо заряженные тела; разноимённо заряженные тела? 1. Вы уже знаете, что тела являются заряженными или наэлектризованными, если в результате трения они приобрели свойство притягивать лёгкие предметы. Явление, при котором телам сообщаются электрические заряды, называют электризацией. Выясним причину этого явления. Зарядить тело можно не только трением, но и другими способами. Так, лёгкий шарик из фольги заряжается от прикосновения к нему другого заряженного тела. Приведём другой пример. Если поставить на стеклянную пластинку чугунную гирю и «побить» её несколько раз кусочком меха, то соединённый с гирей электроскоп зафиксирует наличие на ней заряда (рис. 109, а). Заряженным окажется и кусочек меха, что можно установить, коснувшись им другого электроскопа (рис. 109, б). 2. Напомним, что при трении стеклянной палочки о шёлк палочка получает положительный заряд. Как это может произойти? Ведь до начала опыта и палочка, и кусочек шёлка были нейтральны, в чём легко убедиться с помощью электроскопа. Можно выдвинуть гипотезу: в результате трения отрицательный заряд переходит со стеклянной палочки на шёлк, палочка становится положительно заряженной, а кусочек шёлка — отрицательно заряженным. 3. Чтобы подтвердить или опровергнуть любую гипотезу, её надо проверить с помощью эксперимента. Проделаем опыт. Поднесём к подвешенной на нити стеклянной палочке кусочек шёлка, о который её предварительно потёрли. Палочка к нему притянется (рис. 110, а). Это подтверждает предположение о том, что палочка 165 и шёлк получили заряды противоположного знака. Поскольку стеклянная палочка заряжена положительно, то можно сделать вывод, что шёлк заряжен отрицательно. Будем считать, что одного эксперимента недостаточно, он может дать случайный результат. Проделаем другой опыт: к отрицательно заряженной эбонитовой палочке поднесём тот же кусочек шёлка. Палочка от него оттолкнётся (рис. 110, б). Можно сделать тот же вывод: шёлк заряжен отрицательно. Таким образом, в результате электризации, в которой обязательно участвуют два тела, происходит перераспределение зарядов. При этом электризуются оба тела, приобретая заряды противоположных знаков. 4. Для того чтобы объяснить, почему при электризации тело становится заряженным, проделаем опыт. Используем для этого электрометр, на который сверху надет полый металлический шар. Наэлектризуем трением друг о друга две пластинки — эбонитовую и плексигласовую. Внесём сначала одну из них внутрь полого шара электрометра и убедимся, что он зарядился (рис. 111, а). Затем внесём внутрь шара вторую пластинку. Результат будет таким же: стрелка электрометра отклонится на такой же угол. Это убеждает нас в том, что каждая из пластинок действительно заряжается при трении друг о друга. Теперь внесём внутрь шара одновременно обе заряженные пластинки (рис. 111, б). Электрометр в этом случае не обнаруживает заряда — стрелка его не отклоняется. Данный опыт позволяет ещё раз убедиться не только в том, что при электризации тела приобретают заряды противоположных знаков, но и в том, что эти заряды равны по модулю. Именно поэтому стрелка электрометра при внесении внутрь шара двух потёртых друг о друга пластин остаётся на нуле (см. рис. 111, б). Иначе говоря, алгебраическая сумма зарядов обеих пластинок и до и после электризации равна нулю. 5. Зная строение атома, можно объяснить, что происходит при электризации тел. Электроны, находящиеся вдали от ядра, сравнительно слабо удерживаются ядром. Отделившись от одного Рис. 111 атома, эти электроны могут присоеди- а) б) 166 ниться к другому. Этим и объясняется, что на одном теле может образоваться избыток электронов, а на другом — недостаток; в первом случае тело становится отрицательно заряженным, во втором — положительно. 6. В опыте (см. рис. 111) ни положительные, ни отрицательные заряды не создавались при трении. Они существовали в каждой из пластинок уже до опыта. При этом положительный заряд каждой из пластин был равен её отрицательному заряду. Поэтому пластинки изначально были электрически нейтральны. В результате трения электроны перешли с плексигласовой пластинки на эбонитовую. Плексигласовая пластинка оказалась заряженной положительно (из-за недостатка электронов), а эбонитовая — отрицательно (из-за их избытка). Таким образом, при электризации заряды не создаются, а только перераспределяются. Теперь можно сформулировать закон сохранения электрического заряда. Алгебраическая сумма электрических зарядов тел остаётся постоянной: ^1 -+- ^2 + ... = const. Это один из самых важных законов природы (его называют фундаментальным). Следует, однако, сразу же сделать одно очень важное уточнение: алгебраическая сумма зарядов сохраняется только в замкнутой системе. Замкнутая система представляет собой совокупность тел, изолированных от других объектов. Так, в рассмотренных опытах по электризации — это два тела: стеклянная палочка и кусок шёлка; эбонитовая палочка и кусок меха; плексигласовая и эбонитовая пластинки. Закон сохранения электрического заряда имеет очень глубокий физический смысл. Если число зарядов не меняется, то выполнение этого закона очевидно. Однако в старших классах вы узнаете, что частицы могут рождаться и исчезать, образуя новые заряженные частицы, могут взаимно превращаться. Но самое главное, во всех этих сложных процессах закон сохранения электрического заряда всегда выполняется! 167 Вопросы для самопроверки 1. Что такое электризация тел? 2. Почему при трении двух тел друг о друга заряжаются оба тела? 3. Объясните, почему электрометр, изображённый на рисунке 111, а, разрядился (см. рис. 111, б). 4. Равны ли моду.ти зарядов наэлектризованных пар тел? Почему в обычном состоянии тела электрически нейтральны? 5. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. Приведите примеры, подтверждающие этот закон. 6. Всегда ли справедлив закон сохранения электрического заряда? 7. Ученик дал следующую формулировку закона сохранения электрического заряда: «Сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной» . Как вы думаете, является ли эта формулировка правильной? Задание 39 1. Электризация тел происходит и в природе, и в быту. Объясните следующие примеры. После посадки самолёта к нему нельзя сразу же приставлять металлический трап. Поэтому в некоторых случаях сначала опускают на землю металлический трос, соединённый с корпусом самолёта, и уже потом подгоняют трап. Почему? Почему при расчёсывании волос пластмассовой расчёской чистые волосы прилипают к ней? 2,. Вырежьте две одинаковые полоски: одну — из бумаги, другую — из полиэтиленовой плёнки. Сложите их вместе, положите на стол и крепко прижмите рукой. Затем разведите полоски и попробуйте вновь приблизить их друг к другу. Что вы наблюдаете? Объясните это явление. З3. Надуйте детский резиновый шарик. Потрите его о шерсть, мех или лучше всего о собственные волосы. Шар начнёт прилипать к вашему телу, к стене и т. д. Объясните наблюдаемое явление. 4. Почему ворсинки и пыль прилипают к одежде при чистке её волосяной щеткой? 5. Рассмотрите внимательно рисунок 112. Чистым сухим песком заполняют стеклянную воронку, в которую вставлен металлический стержень, соединённый с одним из электрометров. Просыпаясь через воронку, песок падает в металлический стакан, соединённый с другим электрометром. Стрелки обоих электрометров фиксируют наличие электрического заряда, равного по модулю. Объясните наблюдаемое явление. 168 Рис, 112 § 41*. Закон Кулона / Зависит ли сила взаимодействия наэлектризованных тел от переданного им заряда? / Вспомните закон всемирного тяготения. 1. Электрические заряды взаимодействуют друг с другом, и сила их взаимодействия может быть разной. Количественное изучение электрических явлений, очень давно известных человечеству, началось лишь в конце XVIII в. Кулон в 1785 г. установил на опыте закон взаимодействия электрических зарядов и вывел формулу, по которой может быть рассчитана электрическая сила. 2. Однако, прежде чем сформулировать закон Кулона, необходимо ввести несколько допущений, при выполнении которых закон становится справедливым. Во-первых, речь в законе идёт о так называемых точечных зарядах. Точечным зарядом называют заряд, находящийся на теле, размеры которого во много раз меньше расстояния от этого тела до другого наэлектризованного тела (или точечного заряда), взаимодействие с которым исследуется. Во-вторых, закону Кулона подчиняется взаимодействие только покоящихся зарядов. 3. Закон взаимодействия электрических зарядов, или закон Кулона, гласит: 169 ^^ сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: F = k Я1Я2 Рис. из где q^nq2 — модули зарядов, г — расстояние между точечными зарядами, k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц физических величин. Если заряды находятся в какой-либо среде, то в формулу закона Кулона вводят дополнительный коэффициент, характеризующий свойства этой среды. Следует также учесть, что силы взаимодействия двух точечных зарядов направлены вдоль прямой, соединяющей их (рис. 113). 4. Закон Кулона был установлен экспериментально с помощью специального прибора — крутильных весов (рис. 114). Рассмотрим, как устроены и действуют крутильные весы. Внутри стеклянного цилиндра на тонкой упругой проволоке подвешено лёгкое стеклянное коромысло. На одном конце коромысла закреплён маленький металлический шарик А, а на другом — противовес С. С помощью ещё одного металлического шарика В, насаженного на изолирующий стержень, можно заряжать шарик А. Если заряженным шариком В коснуться шарика А, заряд разделится между ними и шарики оттолкнутся друг от друга. При этом стеклянное коромысло повернётся и закрутит проволоку. По углу закручивания проволоки можно определить силу взаимодействия зарядов. Проведя большое число опытов, Кулон пришёл к выводу, что сила взаимодействия наэлектризованных шариков обратно пропорциональна квад- Рис. 114 рату расстояния между ними С помощью ещё одного шарика, точно такого же, как и шарик В, можно менять заряды взаимо- 170 действующих шариков А и S. В самом деле, если к наэлектризованному ранее шарику В прикоснуться точно таким же незаряженным шариком, то заряды разделятся поровну. В результате заряд на шарике В станет вдвое меньше. Подобное деление можно продолжить и уменьшать заряд на шарике Б в 4, 8 и т. д. раз. Меняя заряды шариков, Кулон установил, что сила их взаимодействия прямо пропорциональна произведению зарядов (F ~ qiq2)- 5. Закон Кулона, характеризующий электрическое взаимодействие, по форме записи похож на закон всемирного тяготения Ньютона, определяющий силу гравитационного взаимодействия: F = G т^тпо ^2 в обоих случаях сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Эта сила пропорциональна величинам, характеризующим те свойства тел, которые определяют взаимодействие, — массам в одном случае и зарядам в другом. Кроме того, учёными для измерения и электрических, и гравитационных сил использовался один и тот же принцип — по закручиванию нити. Но существует между ними и важное различие. Сила всемирного тяготения — это всегда сила притяжения. Кулоновская же сила взаимодействия зарядов может быть и силой притяжения (между разноимёнными зарядами), и силой отталкивания (между одноимёнными зарядами). Однако аналогичность этих важнейших, как говорят, фундаментальных законов природы не ограничивается только их внешним сходством. Аналогичны основные особенности этих законов и следствия, вытекающие из них. Подобное сходство законов природы — одна из многих загадок, которые ещё предстоит решать учёным. 6. Таким образом, начиная с конца XVIII в. учение об электричестве, а точнее — электростатика (так называется раздел физики, в котором изучается взаимодействие покоящихся зарядов), стало превращаться в количественную науку, где можно измерять, рассчитывать, объяснять и делать предсказания. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какой заряд называют точечным? 2. Сформулируйте закон Кулона. Запишите формулу этого закона. 3. Всегда ли справедлив закон Кулона? 171 4. Объясните суть опытов Кулона с крутильными весами. 5. Формуле какого другого известного вам физического закона аналогична формула закона Кулона? § 42. Понятие об электрическом поле / Какое взаимодействие называют электрическим? / Что характеризует физическая величина «энергия»? 1. Вы наблюдали и сами проделали уже довольно много опытов, которые свидетельствуют о том, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом. Они притягиваются или отталкиваются, изменяют вследствие этого своё положение, траекторию движения. Однако причины возникновения подобного взаимодействия зарядов долго оставались непонятными. Учёные XIX в. выдвигали две взаимоисключающие гипотезы для объяснения взаимодействия зарядов: 1) заряды взаимодействуют через пустоту и мгновенно', 2) заряды взаимодействуют через посредника — поле, которое порождают сами заряженные тела, и не мгновенно. Ответить на вопрос о том, какая из гипотез верна, было очень непросто, поиском ответа занимались учёные многих стран в течение многих десятилетий. И только в конце XIX в. было установлено, что первая из предложенных гипотез неверна. 2. Выясним, не передаётся ли взаимодействие электрических зарядов через воздух. Иначе говоря, не является ли воздух тем посредником, через который осуществляется взаимодействие зарядов? Для этого поместим заряженный электроскоп под колокол воздушного насоса (рис. 115). Откачаем из-под колокола воздух. Опыт показывает, что и в безвоздушном пространстве листочки электроскопа по-прежнему отталкиваются друг от друга. Итак, электрическое взаимодействие передаётся не через воздух. Однако, исходя из этого опыта, нельзя ответить на вопрос: действуют электрические заряды друг на друга через пустоту или между ними всё же существует какой-то материальный посредник, хотя мы его и не видим? 172 3. Сторонники второй гипотезы — английские учёные Майкл Фарадей (1791 —1867) и Джеймс Максвелл (1831 — 1879) утверждали, что пространство, окружающее заряженное тело, отличается от обычного пространства, в котором находятся незаряженные тела. В пространстве, где есть электрический заряд, существует электрическое поле. Именно посредством электрического поля одно заряженное тело действует на другое. 4. Самая существенная особенность электрического поля — его материальность, т. е. электрическое поле — вид материи. До сих пор вам был знаком лищь один вид материи — вещество. В том, что вещество реально, что оно существует независимо от нас, убедиться нетрудно: оно так или иначе действует на органы чувств. Для наблюдения за любым вещественным объектом используются зрение, слух, осязание и т. д.; именно они дают нам информацию о наблюдаемом объекте или явлении и убеждают в их существовании. Электрическое поле отличается от вещества прежде всего тем, что его нельзя непосредственно воспринимать с помощью органов чувств. В существовании электрического поля можно убедиться только по его действиям. Представьте себе, что вы не знаете, существует электрическое поле около металлического щараЛ или его нет (рис. 116). Заряжен шар или нет, вы тоже не знаете. Можно ли это как-либо выяснить? Можно, и вы даже знаете как: если маленький незаряженный шарик из металлической фольги В никак не реагирует на большой, — поля нет. Если же он притянется, значит, шар А заряжен и посредством электрического поля действует на шарик В. 5. Итак, вокруг каждого заряженного тела существует электрическое поле. Если в поле заряженного тела внести другое заряженное тело, эти тела начнут взаимодействовать — притягиваться или отталкиваться друг от друга. При этом сила их взаимодействия будет зависеть от расстояния между заряженными телами. Чем ближе друг к другу расположены заряды, тем сильнее они будут притягиваться или отталкиваться, т. е. тем сильнее будет их взаимодействие. Пронаблюдать подобную зависимость несложно. Например, если два разноимённо заряженных щарика, подвешенных на ни- Рис. 116 173 .|.|'тг.|тттт,тттт|ттгттт:рп;....| ^ Рис. 117 ти, расположить на некотором расстоянии друг от друга, как показано на рисунке 117, а, то, очевидно, они притянутся. Поскольку шарики подвешены на нитях, они отклонятся на некоторый угол от своего первоначального положения. Уменьшим расстояние между шариками. Притяжение между ними при этом увеличится (рис. 117, б), и увеличатся углы их отклонения. Это говорит о том, что сила, с которой действует электрическое поле каждого из зарядов на другой заряд, увеличилась. Силу, с которой электрическое поле действует на внесённый в него электрический заряд, называют электрической силой. Электрическая сила, с которой взаимодействуют заряды, зависит также и от значения зарядов. Если теперь заряды шариков увеличить и вернуть их на первоначальное расстояние, то можно будет увидеть, что заряженные тела притянутся сильнее, чем в первом случае (рис. 117, в). Иначе говоря, чем больше значение взаимодей-ствуюи^их зарядов, тем больше электрическая сила, действую-ш,ая между ними. Электрическая сила, как и любая другая, имеет направление. Разноимённо заряженные тела притягиваются, и силы, действующие на них, направлены вдоль прямой, соединяющей тела, навстречу друг другу; одноимённые же заряды отталкиваются, и действующие на них силы направлены в противоположные стороны (рис. 118). 6. Электрическую силу можно измерить. Но чтобы определить её значение, нужно ввести количественную характеристику электрического поля. Рис. 118 174 Если в электрическое поле какого-либо заряда внести небольшое заряженное тело, то на него поле подействует с определённой силой. Внеся в эту же точку поля больший заряд, можно обнаружить, что действуюшая сила увеличится прямо пропорционально значению заряда. Отношение силы, действующей на помещённый в данную точку поля заряд, к этому заряду остаётся неизменным для данной точки поля. Это отношение и является силовой характеристикой электрического поля. Её называют напряжённостью электрического поля и обозначают буквой Е. Напряжённостью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой оно действует на заряд, к этому заряду. £ = £ Напряжённость поля, как и сила, величина векторная (Е). Направление напряжённости поля совпадает с направлением силы, действуюш;ей на положительный электрический заряд. Зная единицу силы (ньютон) и единицу заряда (кулон), можно оп- ределить единицу напряженности поля как ньютон на кулон fi-1- I Кл J 7. В опытах, которые вы наблюдали, электрическое поле действовало на заряженные тела с определённой силой, в результате чего тела перемещались. При этом совершалась работа. Как вы знаете, механическая работа совершается тогда, когда тело обладает энергией. В данных опытах работу совершало электрическое поле, следовательно, можно говорить об энергии электрического поля, или электрической энергии. Вопросы для самопроверки 1. Какие гипотезы высказывались для объяснения взаимодействия зарядов? 2. Какие выводы можно сделать из опыта, установка для проведения которого изображена на рисунке 115? 3. Как вы можете объяснить, что такое электрическое поле? 4. Как можно обнаружить электрическое поле? Приведите пример. 5. Какую силу называют электрической? От чего она зависит? 175 6. Почему напряжённость электрического поля называют силовой характеристикой? Как вы можете это объяснить? 7. Как вы объясните утверждение о том, что электрическое поле обладает энергией? Задание 40 1. Лёгкая незаряженная металлическая пылинка А находится в электрическом поле заряженного niapa В (рис. 119). Определите направление силы, действующей на пылинку со стороны поля, созданного заряженным шаром. 2q © © Рис. 120 2. Куда начнёт двигаться маленькое положительно заряженное тело, оказавшееся в поле положите.тьно заряженного шара (рис. 120)? 3. Два заряда, значение одного из которых в 2 раза больше другого, поместили в поле большого одноимённо заряженного шара на одинаковых расстояниях от него, как показано на рисунке 121. Что вы можете сказать о силах, действующих на эти заряды? Изменятся ли эти силы, если заряд шара ' ^ ^ ^ увеличить? ^ ^ 4*. Чему равна сила, действующая на заряд 4 • 10 ' Кл, находящийся в электрическом поле, если напряжённость поля в этой точке рав- ^ Н S А •- \ Е f на 1,6 105^? Кл © 5*. Одно и то же небольшое заряженное тело помещают в разные точки электрического поля, созданного зарядом q, как показано на рисунке 122. В каких точках на заряд будут действовать: наибольшая сила; наименьшая си.та; равные силы? D 4 Рис. 122 Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении задание. 176 § 43. Линии напряжённости электрического поля / Какую физическую величину называют напряжённостью электрического поля? 1. Вы уже знаете, что электрическое взаимодействие передаётся благодаря электрическому полю. Электрическое поле материально, т. е. реально существует около всех заряженных тел, однако увидеть его невозможно. Это создаёт определённые неудобства для его изучения. Поэтому учёными была предложена модель, характеризующая электрическое поле, его напряжённость и силу, с которой поле действует на некоторый заряд. 2. Проделаем опыт. Воспользуемся тем, что сухие чистые волосы, как и мех, легко электризуются. Мелко настрижём волосы и насыплем их ровным слоем на стекло. Поместим стекло над наэлектризованным шаром. Мелкие кусочки волос слегка переориентируются, и можно увидеть картину, подобную той, что изображена на рисунке 123. Если повторить опыт, но взять не одно наэлектризованное тело, а два и зарядить их сначала разноимёнными, а потом одноимёнными зарядами, то волосы расположатся так, как показано на рисунке 124. 3. Линии, вдоль которых располагаются волоски, называют линиями напряжённости электрического поля. Линии напряжённости электрического поля (иногда их называют силовыми линиями) — это определённая модель, характеризую- • ‘"'Ш а) ''' /' ;■# ■ б) Рис. 123 Рис. 124 177 а) Рис. 125 Рис. 126 щая электрическое поле и позволяющая представить себе его наглядно. В действительности линий напряжённости не существует, как не существует, например, параллелей и меридианов на земном шаре. Линии напряжённости электрического поля непрерывны и никогда не пересекаются. Касательная, проведённая в любой точке к линии напряжённости, совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля в данной точке (рис. 125). Поскольку сила, действующая со стороны электрического поля на помещённый в него заряд, имеет определённое направление, то и линии напряжённости также имеют направление. Принято считать, что линии напряжённости электрического поля начинаются на положительных зарядах, а заканчиваются на отрицательных (для одиночных зарядов линии напряжённости уходят в бесконечность). Линии напряжённости поля, созданного положительным зарядом, выглядят так, как показано на рисунке 126, а, а отрицательным — на рисунке 126, б. Линии напряжённости в первом случае направлены от заряда, а во втором — в сторону отрицательного заряда. На рисунке 127 изображены линии напряжённости различных электрических полей: двух разноимённо заряженных шариков (рис. 127, а); двух одноимённо заряженных шариков (рис. 127, б); двух пластин, заряды которых противоположны по знаку и равны по модулю (рис. 127, в). 178 По густоте линий напряжённости можно судить о величине электрического поля: чем гуще линии, тем сильнее поле, т. е. тем с большей силой оно действует на положительный заряд, который мог бы оказаться в этом поле. Обратите внимание на рисунок 127, в: линии напряжённости параллельны друг другу, это значит, что напряжённость поля во всех точках пространства между пластинами одна и та же. Подобного рода электрическое поле называют однородным. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что такое линии напряжённости электрического поля? 2. Для чего вводятся линии напряжённости электрического поля? 3. Как взаимосвязаны направления линий напряжённости и сил, действующих на положительный заряд в разных точках электрического поля? 4. О чём можно судить по густоте линий напряжённости электрического поля? 5. Какое электрическое поле называют однородным? 6. Существуют ли в природе линии напряжённости? Задание 41 1. На рисунке 128 изображены линии напряжённости полей, создаваемых двумя положительными зарядами. Какой из этих зарядов больше? 2*. Почему линии напряжённости электрического поля не пересекаются? Ответ обоснуйте. 179 а) Рис. 128 б) 3*. Нарисуйте линии напряжённости поля положительно заряженной палочки. § 44*. Электризация через влияние / Что такое электризация тел? 1. Рассмотрим ещё один способ электризации тел, отличающийся от электризации трением или прикосновением. Проделаем опыт. Поднесём положительно заряженную стеклянную палочку к незаряженному шарику из фольги, но касаться не будем. Шарик, как это ни странно, отклонится от своего начального положения и притянется к палочке (рис. 129, а). Ещё более странно, что этот незаряженный шарик притянется к палочке и в том случае, если к нему поднести (не дотрагиваясь) отрицательно заряженную эбонитовую палочку (рис. 129, б). Если наэлектризо- Рис. 129 180 Рис. 130 ванные палочки убрать, то шарик вернётся в своё исходное положение. С помощью электрометра можно убедиться, что шарик во время опыта оставался незаряженным. 2. Теперь повторим опыт, но в тот момент, когда шарик притянется к палочке, на короткое время коснёмся его пальцем (рис. 130, а). Шарик при этом отклонится на ещё больший угол и ещё сильнее притянется к палочке (рис. 130, б). Если воспользоваться электрометром, то его стрелка в этом случае покажет наличие заряда на шарике. 3. Проделаем ещё один опыт. Возьмём изолированный проводник, который состоит из двух отдельных частей — А и В, и сначала плотно их сомкнём, как показано на рисунке 131. Укрепим на проводнике лёгкие полоски бумаги. Поскольку проводник не заряжен, полоски будут висеть вертикально. Приблизим теперь к проводнику заряженный металлический шар С, но не будем им касаться проводника. Листочки разойдутся на некоторый угол. Это говорит о том, что на проводнике появился заряд. При этом листочки, подвешенные у концов проводника (i и 4), разойдутся сильнее, чем листочки у середины (2 и 3). Уберём заряженный шар; листочки опять примут вертикальное положение. 4. Рассмотрим, что произошло в проводнике, когда к нему поднесли заряженный шар. Рис. 131 181 Будем считать, что шар заряжен положительно. Если поднести к полоскам бумаги на проводнике наэлектризованную стеклянную палочку (вспомните, что её заряд положителен), то можно убедиться, что листочки 1 к ней притянутся, а листочки 4 — оттолкнутся. Следовательно, заряд у левого конца проводника — отрицательный, а у правого — положительный. Если же заряженный шар убрать, то все листочки опадут: проводник как был нейтральным, так и остался. Следовательно, произошло перераспределение зарядов в проводнике при помепдении около него заряженного шарика. 5. Возникает вопрос: почему заряды перераспределились именно так? Чтобы объяснить этот факт, достаточно вспомнить, что отрицательно заряженные электроны могут свободно пере-мендаться по металлическому проводнику. Притягиваясь к положительно заряженному шару, они сконцентрировались у левого конца проводника. Недостаток же электронов, т. е. избыток положительных ионов, привёл к появлению на правом конце проводника положительного заряда. 6. Продолжим опыт. В присутствии заряженного шара С разведём части металлического проводника — А и В (рис. 132). В этом случае сместившиеся электроны уже не могут вернуться назад после удаления заряженного шара. Металлический проводник разделён воздушной прослойкой, по которой электроны перемещаться не могут. В итоге тела оказались разноимённо заряженными. При этом они не соприкасались с каким-либо третьим заряженным предметом. Описанный способ электризации тел называют электризацией через влияние или электростатической индукцией. Сами же подобные заряды часто называют индуцированными. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Можно ли зарядить тело, не дотрагиваясь до него другим заряженным телом? 2. Опишите опыт по электризации через влияние. 3. Как изменятся знаки зарядов на концах проводника (см. рис. 131), если шар будет заряжен отрицательно? 182 4. По каким причинам на ближайшем к шару конце проводника (см. рис. 131) возникает заряд, знак которого противоположен знаку заряда шара? 5. Как вы думаете, почему в опыте, изображённом на рисунке 131, листочки i и 4 отклоняются сильнее, чем 2 и 3? 6. Почему после разделения проводников все листочки расходятся на одинаковый угол (см. рис. 131)? Ответ поясните. Задание 42 1. к двум металлическим шарам, соединённым проводниками с землёй, подносят разноимённо заряженные палочки (рис. 133). Можно ли назвать происходящую зарядку шаров электризацией через влияние? Ответ поясните. Рис. 133 2. К положительно заряженному электроскопу подносят тело, которое заряжено отрицательно. По мере приближения тела угол расхождения листочков электроскопа будет постепенно уменьшаться, пока не станет равным нулю. При дальнейшем же приближении тела листочки вновь отклоняются. Почему это происходит? § 45. Проводники и диэлектрики / Во всех ли веществах могут перемещаться электрические заряды? 1. Проведённые опыты показали, что при соприкосновении заряженного тела с незаряженными предметами им сообщается электрический заряд. Так, например, заряжали электроскоп. Следовательно, электрические заряды могут переходить с одного тела на другое. Электрические заряды могут перемещаться и по самому заряженному телу. Электроскоп заряжается прикосновением наэлект- 183 ризованнои палочки к верхнему концу металлического стержня. Тем не менее заряженными оказываются и листочки (или стрелка), находящиеся на нижнем конце стержня (см. рис. 98). Следовательно, заряды переместились вдоль всего стержня. 2. Выясним, всегда ли электрические заряды могут перемещаться вдоль тела. Для этого проделаем несложный опыт. Зарядим электроскоп i, рядом с ним поставим незаряженный электроскоп 2. Соединим их металлической палочкой (например, медной) (см. рис. 105). Можно заметить, что листочки у первого электроскопа слегка опадут, а у второго — разойдутся. Это говорит о том, что часть заряда с первого электроскопа перешла на второй. Теперь повторим опыт, соединив заряженный и незаряженный электроскопы эбонитовой (или стеклянной) палочкой. В этом случае картина не изменится: листочки на электроскопе 1 не опадут, а на электроскопе 2 не разойдутся. Следовательно, по такой палочке заряд не перемещается. Вещества, по которым электрические заряды могут перемещаться, называют проводниками. Те же вещества, по которым не могут перемещаться электрические заряды, называют диэлектриками. Изготовленные из диэлектриков тела называют изоляторами. 3. В природе существует много веществ, обладающих способностью проводить электрические заряды. Хорошими проводниками, например, являются все металлы, водные растворы солей и кислот и многие другие вещества. Любопытно, что проводником, хотя и не очень хорошим, является тело человека. Вы, видимо, уже не раз наблюдали, как учитель, чтобы разрядить электроскоп, дотрагивается до него рукой. Листочки при этом сразу же опадают. Примерами хороших диэлектриков являются янтарь, стекло, эбонит, резина, шёлк, пластмасса и многие другие вещества. 4. Деление веществ на проводники и диэлектрики достаточно условно. Можно создать такие условия, когда проводник будет вести себя как изолятор, а диэлектрик, напротив, как проводник. Например, сухой воздух — хороший изолятор. Вы в этом убеждались много раз, видя, что заряженный электроскоп сохраняет свой заряд. Но стоит поднести к нему зажжённую спичку (рис. 134), т. е. повысить температуру воздуха, и листочки электроскопа довольно быстро опадут. 184 5. Кроме проводников и диэлектриков в природе существуют вещества, которые относят к группе полупроводников. Полупроводники по количеству свободных заряженных частиц занимают промежуточное положение между веществами, в которых электрические заряды могут перемещаться достаточно легко, и веществами, перемещение зарядов в которых невозможно. Наиболее характерными и наиболее часто используемыми полупроводниковыми материалами являются кристаллы германия и кремния. Свойства полупроводников определяются, прежде всего, содержанием в них примесей. Крайне незначительное количество примесного вещества, которое может изменяться от 10"® до 10"^ доли процента от общей массы полупроводника, в миллионы раз изменяет способность зарядов перемещаться в таком полупроводнике. Примесь выбирают так, чтобы атомы примеси имели либо больше, либо, наоборот, меньше электронов по сравнению с атомами основного элемента. В результате возникает избыток или недостаток электронов, что и определяет проводящие свойства полупроводников. 6. На основе знаний о строении атома можно объяснить, почему одни вещества являются проводниками, а другие диэлектриками. В металлах, например, часть электронов легко отделяется от атомов и образует своеобразный электронный газ внутри металла. В изоляторе этого не происходит: свободно перемещающихся заряженных частиц в нём практически нет. На рисунке 135 показаны модели проводника и диэлектрика. Точками на нём обозначены а) б) Рис. 135 185 электроны, а стрелки указывают направления их движения. Свободные электроны в проводнике (рис. 135, а) движутся беспорядочно. Это означает, что не существует какого-то определённого направления, в котором двигалось бы большинство электронов. В диэлектрике (рис. 135, б) электроны движутся по замкнутым орбитам вокруг ядер, находящихся в центре атомов. Очевидно, что и та и другая модель лишь условные наглядные изображения реального вещества. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какие вещества называют проводниками и какие — диэлектриками? Приведите примеры. 2. Как можно на опыте установить, является тело проводником или изолятором? 3. В чём состоит основное отличие полупроводников от проводников и диэлектриков? Задание 43 1. Хорошим проводником является Земля. Предложите опыты, которые подтвердили бы это утверждение. 2. Почему металлический стержень нельзя наэлектризовать, если держать его в руке? Каким способом это можно сделать? Почему? 3. Посмотрите внимательно на рисунок 136 и объясните принцип работы молниеотвода. Почему штырь молниеотвода делают обязательно металлическим? 4. Два одинаковых лёгких шарика из фольги подвешены: один — на шёлковой нити, а другой — на очень тонкой металлической нити, соединённой с землёй. Как будут вести себя шарики, если коснуться их наэлектризованной стеклянной палочкой? Ответ поясните. 5. Заряженный электроскоп соединили палочкой с незаряженным (рис. 137). Почему листочки второго электроскопа не разошлись? Выдвините свои гипотезы. Рис. 136 186 Рис. 138 6. Внимательно посмотрите на рисунок 138 и ответьте на вопрос: какой человек (стоящий возле дерева, лежащий на земле или сидящий в кустах) подвергается меньшей опасности во время грозы? Почему? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенный в электронном приложении тест № 6. Темы докладов и проектов 1. Электростатическая защита. 2. Молния и её природа. 3. Природа северного сияния. 4. Исследование электрического поля. Г» Основное в главе 1. Рассмотренные электрические явления составляют лишь малую часть всего учения об электричестве. Общая теория электричества называется в физике электродинамикой, а изученный нами раздел, в котором рассматриваются заряды, находящиеся в состоянии покоя, — электростатикой. 187 2. Основные понятия электростатики (табл. 24). Таблица 24 Понятие — линии напряженности поля двух одноимённых зарядов — линии напряженности поля двух разноимённых зарядов Условное обозначение, иллюстрация Электрический заряд — положительный заряд — отрицательный заряд — одноимённые заряды отталкиваются — разноимённые заряды притягиваются — точечный заряд* Электрическое поле — напряжённость электрического поля — линии напряженности поля одиночного заряда F F F F F F . ^ F F - 0^ 188 Продолжение табл. 24 Понятие Условное обозначение, иллюстрация — линии напряженности поля двух разноимённо заряженных пластин 1 * Явление электризации — электризация трением — электризация через влияние (электростатическая индукция) Атом атом водорода атом гелия © © Атомное ядро — электрон — протон* — нейтрон* Ион положительный ион © 189 Окончание табл. 24 j Понятие Условное обозначение. иллюстрация — отрицательный ион О© - 3. Основные законы электростатики: — закон сохранения электрического заряда: const; — закон Кулона* : F = . Электрический ток Без электрического тока представить себе существование человеческого общества сегодня уже невозможно. Кажется, что мы вернёмся в каменный век, если вдруг по каким-то причинам, электрический ток исчезнет из нашей жизни — погаснут огни городов, остановится транспорт, всё придёт в полный хаос. Что же такое электрический ток? Каковы его действия? Как он работает на благо человека? Ответы на эти и многие другие вопросы вы получите при изучении этой главы. § 46. Электрический ток / Что такое электрическое поле? Как оно может быть создано? 1. Выражение «электрический ток» довольно часто используется в жизни. Например, когда зажигается лампочка, то говорят, что по её спирали проходит электрический ток. При нагревании воды в электрическом чайнике или нагревании электрического утюга говорят, что по их нагревательным элементам также проходит электрический ток. Что же такое электрический ток? Что необходимо для его возникновения и существования? Попробуем в этом разобраться. Прежде всего, слово «ток» означает течение (движение) чего-либо. Нам понятно, когда говорят о течении в определённом направлении воды или другой жидкости в трубах, о потоке воды в русле реки и т. д. Но что же может перемещаться в электрических проводах? 191 Вспомним, что слово «электричество» связано с понятием «электрический заряд». Следовательно, электрический ток связан с движением (течением) электрических зарядов. Итак, электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц. 2. Обратите внимание на очень важное слово в этом определении: упорядоченное. Иначе говоря, не всякое движение заряженных частиц есть электрический ток. Например, в металлах в нормальных условиях свободные электроны движутся хаотически, т. е. во всех направлениях (рис. 139, а). Для того чтобы в этом кусочке металла возник ток, электроны должны начать движение в одном определённом направлении (рис. 139, б). 3. Как же можно создать такие условия, при которых все заряженные частицы начали бы двигаться в одном направлении? С самым простым случаем возникновения электрического тока в проводнике вы уже встречались. Достаточно заряженный электроскоп соединить проводником с незаряженным (см. рис. 105), и заряды будут перетекать с заряженного тела на незаряженное, т. е. начнётся упорядоченное движение заряженных частиц. Но как только заряды на шарах станут равными, ток прекратится. В обгцем же случае, чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Заряженные частицы под действием поля придут в движение в направлении действия на них электрических сил, т. е. в проводнике возникнет электрический ток. При этом ток будет супдествовать так долго, как долго будет действовать электрическое поле на заряженные частицы. Элект- 192 рический ток в металлах представляет собой направленное движение электронов, а в растворах солей и кислот — направленное движение ионов. Таким образом, для того чтобы в проводнике существовал электрический ток, необходимо наличие электрически заряженных частиц и электрического поля, под действием которого частицы приходят в направленное движение. 4. Рассмотрим механизм протекания электрического тока в жидкостях. Не все жидкости являются проводниками электрического тока. Дистиллированная вода, например, не содержит свободных зарядов — электронов или ионов, поэтому в ней электрический ток возникнуть не может. Чтобы убедиться в этом, проделаем следующий опыт. В сосуд с дистиллированной водой опустим два угольных электрода (два стержня) и подсоединим их к цепи, состоящей из источника тока, лампочки и ключа (рис. 140). При замкнутом ключе между электродами возникнет электрическое поле, но лампочка гореть не будет. Следовательно, тока в цепи нет. Теперь добавим в воду обыкновенную поваренную соль, размешаем раствор — и лампочка загорится. Очевидно, в растворе поваренной соли появились свободные заряды. Причина их образования — явление электролитической диссоциации, вследствие которой молекулы поваренной соли, взаимодействуя с молекулами воды, распадаются на ионы: положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Положительный ион натрия в электрическом поле будет двигаться к электроду, соединённому с отрицательным полюсом источника Рис. 140 193 тока. Такой электрод называют катодом. Отрицательные же ионы хлора будут двигаться к противоположному электроду — аноду, который соединён с положительным полюсом источника тока. 5. Газы в обычных условиях являются хорошими изоляторами. В них нет свободных электрических зарядов. Однако при определённых условиях газы могут стать проводниками электрического тока. Поскольку молекулы газа электрически нейтральны, чтобы газ стал проводником электрического тока, необходимо каким-либо способом получить некоторое число свободных электрических зарядов: электронов и положительных ионов. Создать свободные электрические заряды в газе можно разными способами. Достаточно, например, в промежуток между металлическими дисками (рис. 141) внести пламя спиртовки, как стрелка гальванометра, которая до этого стояла на нулевом делении, отклонится, что свидетельствует о прохождении электрического тока по цепи. 6. Полупроводники, как вы уже знаете, занимают промежуточное положение между веш;ествами, хорошо проводящими электрический ток (проводниками), и диэлектриками. Атом полупроводника легко теряет один из своих электронов, а электрон соседнего атома может заменить его. Несмотря на то что подобный обмен электронами происходит постоянно, общий заряд вещества равен нулю. Таким образом, в полупроводниках происходит перемещение электронов и свободных мест, которые они занимают. Эти свободные места называют дырками. Под действием электрического поля Рис. 141 194 движение электронов и дырок становится направленным. Концентрацию свободных зарядов в полупроводнике можно увеличить, внеся в него примеси. Кроме того, количество свободных носителей тока в полупроводнике возрастает при повышении его температуры и при освещении. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что такое электрический ток? 2. Что значит «упорядоченное движение заряженных частиц»? 3. Каковы условия существования электрического тока? 4*. Является ли молния электрическим током? § 47. Источники тока / Какие виды энергии вам известны? 1. Напомним, что для существования электрического тока в проводнике необходимо создать и поддерживать в нём электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создаётся и может поддерживаться источниками электрического тока. В источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти разделённые частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника тока образуется электрическое поле, и если соединить их проводником, то поле возникнет и в проводнике. Свободные заряженные частицы в проводнике (электроны) начнут двигаться упорядоченно под действием этого поля, т. е. в проводнике возникнет электрический ток. 2. В любом источнике тока совершается работа по разделению заряженных частиц. При этом различные виды энергии (механическая, химическая, внутренняя) превращаются в электрическую. Например, превращение механической энергии в электрическую происходит в электрофорной машине (рис. 142). При вращении рукоятки машины приходят в движение её пластмассовые диски, находящиеся на небольшом расстоянии друг от друга. Вращаясь в противоположные стороны, диски электризуют друг 195 Рис. 143 друга. Пластинки из фольги, нанесённые на диски, соприкасаются с металлическими щётками электрофорной машины, которые и передают заряд на шары. Происходит непрерывное разделение зарядов, в результате которого один из шаров электрофорной машины заряжается положительно, другой — отрицательно. Если их соединить проводником, то по нему потечёт электрический ток. 3. Превращение внутренней энергии в электрическую можно наблюдать на следующем опыте. Если нагреть место соединения двух проволок, изготовленных из различных металлов (рис. 143), то прибор зафиксирует электрический ток. Такой источник тока называют термоэлементом. 4. В гальваническом элементе (батарейке) (рис. 144) заряды разделяются при химических реакциях, и внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую. Рассмотрим более подробно устройство гальванического элемента и аккумулятора, которые явились одними из первых источников тока и используются и в настоящее время. Своё название эти источники тока получили в честь итальянского медика, профессора анатомии Луиджи Галъвани (1737— 1798). История физики знает немало открытий, возникших по воле случая. Ярким образцом подобного открытия является уже известный вам опыт Гальвани. Учёный исследовал нервную систему лягушки. Совершенно случайно коснувшись остриём скальпеля нервов препарированной лягушки, он обнаружил сокращение мышц её лапки. Явление было столь необычным и неожиданным. 196 а причины — столь непонятными, что, как писал Гальвани, он «зажёгся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нём скрытого». Учёный провёл огромное число различных экспериментов, выдвигал самые разнообразные гипотезы. В частности, Гальвани установил, что для наблюдения этого необычного явления нужны металлы, и показал, что разные металлы дают разную степень эффекта. Однако, будучи физиологом, а не физиком, Гальвани решил, что в теле лягушки существует особое «животное электричество». Итальянский физик Алессандро Вольта (1745—1827), изучая опыты Гальвани, пришёл к другому выводу. Причиной сокращения мышц является не «животное электричество», а электрический ток, возникающий вследствие прикосновения металла к влажному телу мышцы лягушки, лежащей на металлической поверхности. Именно контакт двух разнородных металлов стал своеобразным источником тока. 5. Простейший гальванический элемент — элемент Вольта — состоит из двух металлических пластин, медной и цинковой, опущенных в водный раствор серной кислоты (рис. 145). В результате взаимодействия металлов с кислотой медная пластина становится положительно заряженной, а цинковая — отрицательно заряженной. Между этими заряженными пластинами, которые называют электродами, возникает электрическое поле. Если соединить электроды проводником, то в нём возникнет электрический ток. 6. На практике применяют сухие гальванические элементы. Любая бытовая электрическая батарейка — это сухой гальванический элемент или батарея таких элементов. Рис. 146 197 Изображённый на рисунке 146 сухой гальванический элемент состоит из цинкового сосуда 1, в который вставлен угольный стержень 2. Стержень находится в полотняном мешочке 3, наполненном смесью перекиси марганца с углем. В сухом гальваническом элементе вместо жидкости используют густой клейстер из муки и раствора нашатыря 4. Весь цинковый сосуд помещён в коробку из пластмассы и залит сверху слоем смолы 5. Зажим на угольном стержне является положительным полюсом элемента, а цинковый сосуд — отрицательным полюсом. Батарея карманного фонаря состоит из нескольких гальванических элементов, соединённых друг с другом. Отличительной особенностью всех гальванических элементов является то, что при их работе расходуются электроды и раствор. Поэтому через некоторое время они приходят в негодность и их необходимо заменять новыми. С этой особенностью электрических батареек вы наверняка сталкивались в своей практике. 7*. Аккумуляторы — другой тип источника тока. Одним из достоинств аккумулятора является то, что в них электроды не расходуются. Простейший аккумулятор состоит из двух цинковых пластин, помещённых в раствор серной кислоты. Для того чтобы аккумулятор стал источником тока, его сначала надо зарядить. Для зарядки аккумулятора через него пропускают ток от какого-нибудь другого источника тока. После того как аккумулятор зарядится, его можно использовать как самостоятельный источник тока. В процессе зарядки электрический ток в аккумуляторе совершает работу, в результате которой электрическая энергия превращается в химическую энергию аккумулятора. При разрядке аккумулятора эта энергия превращается обратно в электрическую. Аккумуляторы бывают разных видов: свинцовые (или кислотные), железоникелевые (или щелочные). Но принцип работы у них одинаковый — они аккумулируют (накапливают) энергию, прежде чем стать самостоятельным источником тока. С работой аккумуляторов вы часто встречаетесь в повседневной жизни. Например, в любом автомобиле он служит для запуска двигателя. Аккумуляторы используются и для освещения в тех случаях, когда невозможно или неудобно использовать электрический ток, поступающий по проводам от электростанций, — в подводных лодках, космических кораблях и т. д. Сейчас аккумуляторы всё шире используются для питания различной электронной аппаратуры (радиоприёмников, магнитофонов, телефонов и пр.). 198 8. В качестве источников тока всё чаще используют солнечные батареи, в которых энергия излучения Солнца преобразуется в электрическую энергию. Поверхности солнечных батарей покрывают полупроводниковым веществом. Под действием света в полупроводнике возникает электрический ток, который затем аккумулируется в солнечных батареях. Такие источники тока используются, например, в калькуляторах. Все энергетические установки орбитальных станций, в том числе и работающей ныне МКС (международной космической станции) (рис. 147), приводятся в действие от солнечных батарей. Рис. 147 Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Каково основное назначение источника тока? Приведите примеры известных вам источников тока. 2. Какая энергия может превращаться в источнике тока в электрическую? 3. Каков принцип работы гальванического элемента? 4. Что собой представляет элемент Вольта? 5. Что общего в устройстве элемента Вольта и сухого гальванического элемента? Чем они отличаются друг от друга? 6*. Каков принцип работы аккумулятора? 7*. В чём состоит принципиальное отличие гальванического элемента от аккумулятора? Что между ними общего? 8. Приведите примеры использования гальванических элементов и аккумуляторов в быту и технике. Задание 44 1д. Изготовьте дома источник тока. Для этого возьмите лимон (или любой другой цитрусовый фрукт) и два кусочка металла: медную проволочку и тонкую цинковую пластинку. Если не найдёте дома кусочков проволоки, замените их любой медной монеткой и оцинкованным гвоздём. Разрежьте лимон и вставьте в него эти кусочки металла так, чтобы они были достаточно близко, но не касались друг друга 199 (рис. 148). Ток, правда, довольно слабый, и если соединить его полюса проводником с лампочкой, она не загорится. Но убедиться в том, что ток есть, можно: коснитесь языком проводников, соединённых с полюсами источника тока (не бойтесь, это не опасно). Вы почувствуете лёгкое покалывание, пощипывание, сходное с ощущением, возникающим при пробовании чего-нибудь кислого. Какая энергия превращается в электрическую в вашем источнике тока? 2,,. Разберите дома плоскую использованную батарейку (см. рис. 144). Сколько в ней сухих гальванических элементов? Как они соединены друг с другом? Обратите внимание на то, как соединены положительные и отрицательные полюсы элементов. Сделайте схематичный рисунок батареи. 3. Как вы думаете, что произойдёт, если в элементе Вольта цинковую пластинку заменить второй медной? 4. Одна из актуальнейших проблем современного автомобилестроения — создание автомобилей с электродвигателями, которые заменили бы экологически «грязные» машины с двигателями внутреннего сгорания. Использование аккумуляторов в электромобилях создаёт множество проблем, которые до сих пор ещё до конца не реще-ны. Подумайте и предположите, в чём состоят эти проблемы. 5д. Подготовьте доклады об открытиях и исследованиях Гальвани и Вольта, используя различные источники информации, в том числе Интернет. Работа с компьютером 0 Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении задание. § 48. Действия электрического тока / Что называют электрическим током? 1. Как вы уже знаете, увидеть заряды (электроны, положительно или отрицательно заряженные ионы) невозможно. Они очень малы. Но существуют явления, которые нас убеждают в их реальности. Это, прежде всего, различные явления, которые вызывают движущиеся заряженные частицы, т. е. электрический ток. Такие явления принято называть действиями электрического то- 200 ка. К числу самых очевидных принадлежат тепловое, химическое и магнитное действия тока. 2. Рассмотрим тепловое действие электрического тока. Поднесите руку к горящей электрической лампе, и вы сразу же почувствуете около неё тепло. Нагретая электрическим током лампа излучает энергию. А почему вообще светится электрическая лампа? Тонкая вольфрамовая проволочка внутри лампы, которую хорошо видно через прозрачное стекло, нагревается при прохождении по ней электрического тока, раскаляется и начинает светиться. Можно проделать простой опыт, демонстрирующий тепловое действие тока. Присоединим к полюсам источника тока тонкую проволоку, лучше железную или никелиновую (рис. 149). Замкнув ключ, будем наблюдать, как эта проволока сначала немного провиснет (она нагрелась и удлинилась), затем начнёт накаливаться и краснеть. Тепловое действие электрического тока лежит в основе работы самых разных бытовых нагревательных приборов. Это и электрический утюг, и электрический чайник или кофеварка, и электроплитка или электрокамин, и многое другое. Пример с лампой накаливания показывает, что, кроме теплового действия, в ряде случаев можно наблюдать и световое действие электрического тока. 3. Химическое действие электрического тока проявляется при прохождении его в жидкостях. Если провести опыт, аналогичный опыту, описанному в § 46, заменив раствор поваренной соли раствором медного купороса и через несколько минут вынуть угольные электроды (см. рис. 140), то на одном из них — катоде — можно обнаружить слой чистой меди. Таким образом, химическое действие электрического тока проявляется в том, что при его прохождении через раствор солей (кислот, щелочей) на электродах выделяется вещество. 201 Рис, 150 Химическое действие электрического тока лежит в основе хромирования и никелирования металлических предметов. Им пользуются в промышленности для получения чистых металлов (меди, алюминия и др.). 4. Магнитное действие электрического тока проще всего наблюдать на следующем опыте. Возьмём большой железный гвоздь и намотаем на него тонкий изолированный провод. Концы провода через ключ соединим с источником тока (рис. 150). Если цепь замкнуть, то гвоздь приобретёт магнитные свойства, или, как говорят, намагнитится. Поднесённые к получившемуся магниту гвоздики, булавки, металлические скрепки сразу же к нему притянутся. Магнитное действие тока лежит в основе работы промышленных подъёмных кранов, которые могут поднимать очень тяжёлые железные предметы. Посмотрите внимательно на рисунок 151, на котором изображён электрический звонок. В основе его работы также лежит магнитное действие электрического тока. Ток в цепь звонка поступает через клеммы А и В. В точке С проводник с током соединяется с подвижной металлической пластиной, благодаря которой молоточек звонка ударяет по звонковой чаше. 5. Рассмотрим взаимодействие проводника с током и магнита. Поместим между полюсами подковообразного магнита металлическую рамку, соединённую с источником тока, как показано на рисунке 152. Рамка находится в покое, пока цепь не замкнута, т. е. пока в ней нет электрического тока. При замыкании цепи рамка повернётся. На рисунке 153 изображён прибор, который называют гальванометром. С помощью гальванометра можно судить о наличии тока, его направлении. В основе работы гальванометра лежит взаимодействие катущки В 202 Рис. 152 Рис. 153 с током и магнита. Стрелка прибора связана с подвижной катушкой, и когда в катушке появляется ток, она отклоняется. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какие явления подтверждают существование электрического тока? 2. Как проявляется тепловое действие тока? 3. На каком опыте можно показать тепловое действие тока? 4. Приведите примеры магнитного действия тока. 5. В чём проявляется химическое действие тока? 6. Как можно на опыте наблюдать химическое действие тока? 7. Какое действие тока используется в работе гальванометра? Задание 45 1. Укажите, какие действия электрического тока используются в следующих случаях: а) освещение комнаты электрической лампой; б) хромирование столовых приборов; в) нагревание воды в стакане электрическим кипятильником; г) работа электрической швейной машинки; д) нагревание электроутюга; е) золочение или серебрение ювелирных изделий; ж) работа аккумулятора автомобиля; з) приготовление пищи на электроплите. Перенесите таблицу 25 в тетрадь и запишите в неё эти примеры. Добавьте в таблицу свои примеры. Таблица 25 Тепловое действие Магнитное действие Химическое действие 203 2. Как вы думаете, изменится ли действие электрического тока, если поменять местами проводники на полюсах источника тока на рисунках 140 и 150? Ответ поясните. 3. Составьте по рисунку 151 рассказ о работе электрического звонка. § 49. Электрическая цепь / Каковы условия существования электрического тока? 1. Всякая электрическая установка, в которой существует электрический ток, должна быть замкнута, т. е. образовывать замкнутую электрическую цепь. Электрическая цепь может состоять из следующих элементов: 1) источник тока; 2) провода; 3) потребители (лампочка, звонок, электрические нагревательные приборы, электродвигатели); 4) приборы для управления электрическим током (ключ, выключатель, кнопка). В качестве примера рассмотрим простейшую электрическую цепь (рис. 154). Она состоит из источника тока, ключа, который может замыкать или размыкать цепь, лампочки и проводов. Лампочка загорается только тогда, когда ключ замкнут. 2. Следует уточнить, что в цепи за направление электрического тока принято направление движения положительных частиц от положительного полюса источника тока к отрицательному. Оно выбрано условно — об этом договорились между собой физики. Это произошло очень давно, когда ещё плохо знали природу электрического тока. Так принято считать и сейчас. 3. Посмотрите ещё раз на рисунок 154. Если каждый раз за- рисовывать электрические цепи, то работа будет слишком трудоёмкой. Поэтому ввели условные обозначения для основных элементов электрических цепей. В таблице 26 приведены эти условные обозначения, и в дальнейшем мы будем ими пользоваться. Чертежи, на которых в условных обозначениях изображены соединения электрических приборов, назы-Рис.154 вают схемами. 204 Таблица 26 М Условное обозначение Элемент электрической цепи Гальванический элемент или аккумулятор^ --Н Батарея элементов или аккумуляторов Соединение проводов Пересечение проводов без соединения Зажимы для подключения прибора Ключ Электрическая лампа Электрический звонок О Электродвигатель или генератор Посмотрите внимательно на рисунок 155, на котором изображена схема простейшей электрической цепи, и сравните его с рисунком 154. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что такое электрическая цепь? 2. Из каких элементов состоит электрическая цепь? 3. Каково назначение источника тока в электрической цепи? 4. Какое направление принято за направление электрического тока в цепи? 5. Что значит «цепь замкнута»; «цепь разомкнута»? ^ Длинная чёрточка соответствует положительному полюсу источника тока (клемма « + »). 205 Задание 46 1. Начертите схему электрической цепи, состоящей из аккумулятора, выключателя и звонка. 2. На рисунке 156 изображена электрическая цепь. Из каких элементов состоит эта цепь? Что является источником тока, а что — потребителем электрической энергии? Как будет направлен ток при замкнутом ключе? 3. Нарисуйте схему электрической цепи, изображённой на рисунке 156. Укажите направление тока при замкнутом ключе. --Ч Рис. 157 4. Рассмотрите схему электрической цепи, изображённую на рисунке 157. Назовите элементы этой цепи. Перечертите схему в тетрадь с указанием направления тока при замкнутом ключе. Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении задание. § 50. Сила тока. Амперметр / Какие действия электрического тока вам известны? / Какова единица электрического заряда? 1. Выясним, от чего зависят действия электрического тока. Вспомним опыты, которые описаны в § 48. Они свидетельствуют о том, что действия электрического тока могут проявляться в разной степени. Так, в опыте с прохождением электрического тока по металлической проволоке (см. рис. 149) она может слегка нагреться, а может раскалиться докрасна; она может прогнуться в большей или меньшей степени. То же относится и к химическому действию электрического тока: на электроде может выделиться веш;ество большей или меньшей массы. 206 Электрический ток, как вы знаете, — это направленное движение заряженных частиц. Очевидно, чем больше электрический заряд, перенесённый частицами через поперечное сечение проводника за какое-то определённое время, тем интенсивнее действие тока. 2. Ток в цепи характеризуют значением заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени, т. е. силой тока. Силу тока обозначают буквой I. Силой тока I называют физическую величину, равную отношению заряда д, проходящего через поперечное сечение проводника за промежуток времени f, к этому промежутку времени: 3. Сила тока — физическая величина, она имеет числовое значение и единицу. Введём единицу силы тока. В 1948 г. на Международной конференции по мерам и весам было решено в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников с током. Явление взаимодействия двух проводников с током можно наблюдать на опыте (рис. 158). Если по двум параллельным проводникам пропустить ток, то в зависимости от направления тока проводнР1ки либо притянутся (рис. 158, а), либо оттолкнутся (рис. 158, б). При этом сила притяжения или отталкивания между проводниками прямо пропорциональна силе тока в них: чем больше сила тока, тем сильнее взаимодействуют проводники. Силу взаимодействия между проводниками можно измерить. Но, как показали опыты, она зависит ещё от длины проводников, расстояния между ними и среды, в которой находятся проводники. 4. Чтобы ввести единицу силы тока, т. е. определённый точный эталон, необходимо соблюдать очень жёсткие условия опыта. Проводники должны быть тонкими и бесконечно длинными, они должны находиться в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга. За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки па- 201 раллельных проводников длиной 1 м, находяи^иеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2 • 10~^ Н. Единицу силы тока называют ампером (1 А). Эта единица названа в честь французского физика Андре Ампера (1775—1836). Единица силы тока 1 А является основной единицей СИ. В науке, технике, на практике часто используют и такие единицы силы тока, как миллиампер (1 мА), микроампер (1 мкА), килоампер (1 кА). 1мА = 0,001 А, 1 мкА = 0,000001 А, 1 кА= 1000 А. 5. В § 37 введена единица заряда — 1 Кл. Зная формулу для расчёта силы тока, можно записать: q = It. Учитывая, что единицей силы тока является 1 А, а единицей времени — 1с, получим единицу электрического заряда: 1 Кл = 1 А • 1с. 6. Давайте оценим значение силы тока 1 А, т. е. выясним, большая это сила тока или нет. Для человеческого организма — очень большая. Для него безопасной является сила тока лишь до 1 мА. В бытовой электрической сети нормальной считается сила тока до 6 А. Посмотрите дома на розетки или электрические приборы, там стоит эта цифра — 6 А. Это максимальная сила тока, которая может проходить через розетку или прибор. 7. Епдё одна очень важная особенность силы тока заключается в следующем: сила тока во всех участках проводника, по которому течёт ток, одинакова. Это следует из того, что заряд, проходящий через любое поперечное сечение проводника в единицу времени, одинаков. Иначе говоря, когда в цепи существует ток, заряд нигде ни в какой части проводника не скапливается. Так, если в начале проводника, например металлической проволочки, сила тока равна 1 А, то и в любом поперечном сечении проводника, и в конце его она тоже обязательно — 1 А. 8. Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называют амперметром. Амперметр и по своему принципу действия, и по устройству похож на гальванометр (см. рис. 153). Его работа основана на магнитном действии тока. Чем больше сила тока, проходящего по катушке, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки прибора. Поскольку с помощью амперметра из- 208 © меряют силу тока, то он устроен так, чтобы а) включение его в цепь практически не влияло на силу тока в цепи. Чтобы отличить амперметр от гальванометра, на его шкале ставят букву А. На схемах амперметр изображают кружком с буквой А в центре (рис. 159, а). Лабораторный амперметр (рис. 159, б), которым вы будете пользоваться в дальнейшем, внешне отличается от демонстрационного. Будьте внимательны при работе с амперметрами, так как каждый из них рассчитан на некоторую максимальную силу тока. Иначе прибор может испортиться. 9. Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить. У каждой клеммы прибора стоит свой знак: или «Ч-», или «-». Это значит, что клемму со знаком «-Ь» надо обязательно соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком «-» — с отрицательным. Если цепь состоит из нескольких последовательно соединённых проводников или приборов (соединение, при котором начало одного проводника соединяется с концом другого), то амперметр будет показывать во всех точках цепи одно и то же значение силы тока. Так, в схемах, показанных на рисунке 160, во всех трёх случаях сила тока будет одинакова. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что называют силой тока в цепи? 2. Что означает выражение: «сила тока — физическая величина»? 209 3. Какое явление используется для установления эталона единицы силы тока? 4. Какие существуют дольные и кратные единицы силы тока? 5. Почему сила тока во всех участках проводника одинакова? 6. Как называют прибор, с помощью которого измеряют силу тока? 7. Как включают амперметр в цепь? Задание 47 1. На рисунке 161 изображены два заряженных электроскопа. В каком случае сила тока будет больще, если их заземлить одинаковыми проводниками? Почему? 2. На рисунке 162 изображены две схемы электрических цепей. Существенно ли для работы этих цепей различие в схемах а и 61 Почему? Рис. 162 3. Выразите: 0,5 А в микроамперах; 0,2 А в миллиамперах; 0,25 мкА в амперах. 4. На рисунке 163 изображены шкалы амперметров. Какова цена деления каждого прибора? Каковы пределы измерения этих приборов? Каковы показания приборов? Рис. 163 210 5. Укажите стрелками направление электрического тока, проходящего через лампы (рис. 164). Какова сила тока в лампах? 6*. Вычислите число электронов, которые пройдут через лампу накаливания, включённую в цепь, как показано на рисунке 165, если ключ в цепи будет замкнут в течение 1 мин. Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном приложении задания. Лабораторная работа № 6 Сборка электрической цепи и измерение силы тока на различных её участках Цель работы: научиться собирать простейшую электрическую цепь, измерять силу тока на различных участках цепи, убедиться в том, что сила тока при отсутствии разветвлений в цепи одинакова на любом участке цепи. Приборы и материалы: лабораторный источник питания (ЛИП), лампочка на подставке, амперметр, ключ, соединительные провода. Порядок выполнения работы 1. Начертите схему электрической цепи и соберите её. 2. Измерьте силу тока в цепи. 3. Выполните ещё два измерения силы тока, меняя положение амперметра в цепи. 4. Для каждого случая начертите схемы цепей. 5. Запищите в таблицу 27 результаты измерения силы тока с учётом абсолютной погрещности измерения, равной половине цены деления щкалы амперметра. 6. Сделайте вывод. 211 Таблица 27 Сила тока 1^, А Сила тока /g. А — Сила тока /д, А Задание 48 1. Почему на всех последовательных участках цепи сила тока одинакова? 2. Можно ли подключить амперметр к зажимам батареи без других потребителей (приборов)? Почему? § 51. Электрическое напряжение. Вольтметр / Что характеризует механическая работа; мощность? 1. Если вернуться к опытам, в которых наблюдались действия электрического тока, то можно сделать ещё один вывод, очень важный для предстоящего разговора: электрический ток во всех рассмотренных случаях совершал работу. При его прохождении нагревался проводник, поворачивалась рамка и т. д. По работе тока можно судить и о его мощности. Напомним, что мощность — величина, численно равная работе, совершённой в единицу времени. Чтобы выяснить, от чего зависит мощность электрического тока, обратимся к опыту. Соберём электрическую цепь, состоящую из лампочки, батареи аккумуляторов, соединительных проводов и ключа (рис. 166). Вначале в качестве источника используем один элемент аккумулятора (соединение 1). Лампочка не горит. Затем возьмём два элемента аккумулятора (соединение 2), лампочка загорится, но очень тускло. Наконец, если подключить все три элемента (соединение 3), лампочка начинает ярко светиться. Источник тока, состоящий из трёх элементов аккумулятора, стал достаточно мощным, чтобы создать необходимую для свечения лампочки силу тока. 212 Следовательно, каждый источник тока можно характеризовать особой физической величиной, которую называют напряжением. 2. Чтобы лучше понять, что такое напряжение, воспользуемся следующей аналогией. Нетрудно представить себе, что электрический ток подобен потоку воды в реке. Но, как вам известно, вода в реке сама по себе течёт только с более высокого уровня на более низкий. Следовательно, для существования электрического тока также должны быть созданы определённые условия. Разность уровней воды аналогична напряжению источника тока. Чем выше напряжение (чем больше разница в уровнях реки), тем больше сила тока в цепи (тем быстрее движется вода в реке). 3. Как вы помните, источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение заряженные частицы. Чем больше напряжение источника тока, тем сильнее созданное им поле. Поэтому можно сказать, что напряжение характеризует электрическое поле, действующее в цепи и создающее электрический ток. 4. Обратимся теперь ещё к двум опытам, сравнение которых позволит нам определить понятие напряжения. На рисунке 167, а изображена электрическая цепь, состоящая из лампочки карманного фонаря, источника тока, ключа и демонстрационного амперметра. На рисунке 167, б— аналогичная цепь, но с лампой накаливания, подключённой к городской осветительной сети. Оба амперметра показывают, что сила тока в цепях одина- а) б) Рис. 167 213 кова и равна 0,2 А. Однако лампа, включённая в сеть, даёт гораздо больше и тепла, и света, чем лампочка карманного фонаря. Почему при одном и том же значении силы тока действия электрического тока столь различны? Очевидно, что энергия, необходимая для того, чтобы раскалить нить лампы, включённой в сеть, намного больше той, что расходуется в лампочке карманного фонаря. Можно сказать, что мощность лампы накаливания много больше мощности лампы карманного фонаря. Единственным различием двух цепей является то, что в них использованы разные источники тока: напряжение городской осветительной сети гораздо больше напряжения источника тока. Разное напряжение подаётся и на лампы. На участке цепи с лампой, включённой в сеть, напряжение выше, чем на участке цепи, содержащей лампочку карманного фонаря. 5. Физическую величину, равную отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи, называют электрическим напряжением. Напряжение принято обозначать буквой U. где Р — мощность электрического тока, I — сила тока. 6. Единицей напряжения является вольт (1 В). Название единице напряжения дано в честь итальянского учёного Вольта. 1 вольт = 1 ватт , 1В = 1 Вт 1 А 1 ампер В практике используют также дольные и кратные единицы: киловольт (1кВ) , милливольт (1 мВ). 1 кВ = 1000 В, 1 мВ = 0,001 В. 7. Оценим напряжение, равное 1 В. Высокое оно или низкое? Опасно ли оно для жизни человека? Напряжение в 1 В неопасно. Считается, что напряжение до 12 В совершенно безопасно. И даже напряжение до 42 В, с которым вы будете работать в классе, в нормальных условиях безвредно. А напряжение 220 В, т. е. напряжение осветительной сети, может оказаться для человека смертельно опасным. Поэтому всегда будьте очень аккуратны с электри- 214 ческими приборами, особенно работающими под высоким напряжением. Напряжения, с которыми имеют дело в технике, колеблются от долей микровольт до миллионов вольт. В таблице 28 представлены некоторые примеры напряжений, встречающихся в природе и технике. Таблица 28 Напряжение и, В На полюсах элемента Вольта 1,1 Одного элемента щелочного аккумулятора 1,25 Одного элемента кислотного аккумулятора 2 На лабораторном столе (максимальное) 42 В осветительной сети 220 В электрофорной машине (при расстоянии между шарами 1 см) До 30 000 При возникновении молнии До 4 000 000 000 8. Прибор, с помощью которого измеряют напряжение на полюсах источника тока или на каком-либо участке цепи, называют вольтметром. Как внешний вид демонстрационного вольтметра, так и его устройство очень похожи на гальванометр и амперметр, только предназначен вольтметр для измерения напряжения. То же самое можно сказать и о лабораторном вольтметре — он похож на лабораторный амперметр (см. рис. 159, б). Поэтому для отличия вольтметра от других измерительных приборов на его шкале ставят букву V. Внешний вид и условное обозначение вольтметра на схемах показано на рисунке 168. 9. Так же как и у амперметра, у одного зажима вольтметра стоит знак «+», У другого — «—». Иногда на приборах стоит только один знак «4-». Нужно обязательно следить за правильным включением вольтметра в электрическую цепь, иначе стрелка может отклониться в противоположную сторону и прибор испортится. © б) 215 Зажимы вольтметра подключают к тем точкам цепи, между которыми надо измерить напряжение. Так, если нам нужно определить напряжение на лампе, вольтметр подключают к зажимам лампы (рис. 169). Если же мы хотим выяснить, каково напряжение на участке цепи, где находится звонок, — вольтметр подключают к звонку. Для измерения напряжения на источнике тока вольтметр подключают к зажимам источника. Вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряют напряжение. Вольтметр устроен так, что ток, проходящий через него, очень мал по сравнению с током в цепи. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Что характеризует напряжение? 2. Какую аналогию используют для иллюстрации понятия «напряжение»? 3. Какой вывод можно сделать в результате анализа опыта, изображённого на рисунке 166? 4. Как вы можете объяснить тот факт, что при одном и том же значении силы тока накал лампочек разный (см. рис. 167)? 5. Как называют прибор для измерения напряжения? 6. Как включают вольтметр для измерения напряжения на участке цепи? 7. Что общего и чем отличаются друг от друга амперметр и вольтметр? Задание 49 1. Сила тока, протекающего по двум одинаковым проводникам, одинакова, но в одном из них выделилось в 2 раза больше энергии (нагрелся, например, в 2 раза сильнее). Какова причина подобного явления? На каком из проводников напряжение больше? 2. Какая мощность выделяется в лампе накаливания при напряжении 220 В и силе тока 0,2 А? 3. Сила тока в спирали электроплитки равна 5 А при напряжении в сети 220 В. Каким должно быть напряжение, чтобы при той же мощности тока в спирали электроплитки сила тока была 10 А? 216 4. Определите цену деления шкалы вольтметра, изображённого на рисунке 170. Каков предел измерений этого прибора? Чему равно напряжение на электрической лампочке? 5. Проставьте на схеме (рис. 171) символы соответствующих приборов. 6. Внимательно рассмотрите схемы на рисунке 172. Всё ли в них правильно? Ес.ти обнаружите ошибки, укажите их и начертите правильные схемы цепей. Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении задание. 217 Лабораторная работа № 7 Измерение напряжения на различных участках электрической цепи Цель работы: научиться включать вольтметр в цепь, измерять напряжение на различных участках цепи. Приборы и материалы: лабораторный источник питания, две лампочки на подставке, ключ, амперметр, вольтметр, соединительные провода. Порядок выполнения работы 1. Соберите электрическую цепь (рис. 173). 2. Присоедините вольтметр к одной из ламп, измерьте напряжение на ней. 3. Присоедините вольтметр к другой лампе и измерьте напряжение на ней. 4. Измерьте напряжение на двух лампах. 5. Начертите схемы всех собранных электрических цепей. 6. Результаты измерения напряжения запишите в таблицу 29 с учётом абсолютной погрешности измерения, равной половине цены деления шкалы вольтметра. Таблица 29 Напряжение C/j, В Напряжение C/g’ ^ Напряжение U^, В Задание 50 1. Почему вольтметр при измерении напряжения подключается параллельно тому элементу цепи, на котором оно измеряется? 2. Можно ли подключать вольтметр к зажимам батареи (аккумулятора) без других приборов и потребителей? Почему? 218 § 52. Сопротивление проводника. Закон Ома для участка цепи / Какую физическую величину называют силой тока? / Что называют напряжением? 1. Напомним, что физические величины сила тока I и напряжение и характеризуют электрический ток и его действия. Установим зависимость между этими величинами. Для этого воспользуемся установкой, изображённой на рисунке 174. В качестве потребителя тока в цепи используется резистор — металлический проводник в виде спирали. Параллельно резистору подключён вольтметр, измеряющий напряжение на этом участке цепи. Остальная часть цепи состоит из источника тока, ключа и амперметра. В качестве источника тока будем использовать устройство, которое позволяет регулировать напряжение на концах проводника. 2. Сначала присоединим вольтметр к проводнику 1. Будем изменять напряжение на этом участке цепи и следить за соответствующими изменениями силы тока. Результаты измерений представлены в таблице 30. Как видно из таблицы 30, между силой тока и напряжением на концах проводника существует прямая пропорциональная зависимость'. I ~ и. Рис. 174 219 Таблица 30 и I 1 в 0,5 А 2В 1 А ЗВ 1,5 А Присоединим вольтметр к проводнику 2 и повторим опыт. При тех же значениях напряжения, что и в первом случае, получим другие значения силы тока. Однако и в этом проводнике сила тока будет прямо пропорциональна напряжению. 3. По результатам проведённых опытов вычислим отношение напряжения к силе тока. Оно будет постоянным для каждого из проводников, но будет иметь разное значение для проводников 1 и 2. Следовательно, существует физическая величина, характеризующая свойства проводника, по которому течёт электрический ток. Эту величину называют электрическим сопротивлением проводника или просто сопротивлением. Обозначают сопротивление буквой R. За единицу сопротивления принимают ом (1 Ом). 1 Ом — это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1 В сила тока равна 1 А. 1 вольт ^ 1 В 1 ом = ----- , 1 Ом = -г—г • 1 ампер 1 А Единица сопротивления получила своё название в честь немецкого учёного Георга Ома (1787—1854), открывшего основной закон электрической цепи. В практике используют дольные и кратные единицы: килоом (1 кОм), мегаом (1 МОм). 1 кОм = 1000 Ом, 1 МОм = 1 000 000 Ом. 4. Что же такое сопротивление 1 Ом? Чтобы представить, насколько велико это сопротивление, приведём такие примеры: сопротивление нити лампочки карманного фонаря около 12 Ом, а нити горящей электрической лампы накаливания — 200—400 Ом. С другой стороны, 1 Ом — это сопротивление примерно 5 км провода трамвайной линии, т. е. сопротивление маленькой тоненькой проволочки лампочки может оказаться во много десятков и сотен раз больше, чем сопротивление толстого длинного провода. Дело в том, что электрическое сопротивление проводника зависит от вещества, из которого он изготовлен. 5. Попытаемся теперь объяснить, почему проводник обладает электрическим сопротивлением. Вспомните, что электриче- 220 ский ток в металлах представляет собой направленное движение свободных электронов. Движущиеся под действием электрического поля электроны взаимодействуют с атомами и ионами кристаллической решётки металла. Ионы, следовательно, препятствуют, мешают движению электронов, оказывают сопротивление их движению. Это ведёт к уменьшению скорость направленного движения электронов, а значит, и сила тока в проводнике. Обладают сопротивлением и растворы солей, кислот и щелочей вследствие взаимодействия движущихся в электрическом поле ионов с молекулами и атомами растворов. 6. Выясним с помощью изображённой на рисунке 175 установки, как зависит сила тока от сопротивления участка цепи при постоянном напряжении на этом участке. Для этого будем использовать магазин сопротивлений, представляющий собой четыре последовательно соединённых проводника, которые могут в различных сочетаниях включаться в цепь. При этом общее сопротивление проводников будет различным. Включим в цепь проводник сопротивлением 1 Ом, затем 2 Ом и 4 Ом. С помощью источника тока будем поддерживать в каждом случае постоянное напряжение, например 2 В. Результаты опыта представлены в таблице 31. Из опыта следует, что сила тока при постоянном напря- Рис. 175 221 Таблица 31 R / 1 Ом 2 А 2 Ом 1 А 4 Ом 0,5 А жении на концах проводника обратно пропорциональна его сопротивлению: 7. Обобщая результаты всех опытов, можно утверждать, что сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротив- г и лению, т. е. / ~ . хг Для того чтобы перейти от пропорциональности к знаку равенства, необходимо, как вам известно, ввести коэффициент про- порциона л ьности: I = k • -5 . В той системе единиц, которой мы а пользуемся, /г = 1, следовательно, можно записать: Эта зависимость была установлена экспериментально в 1826 г. Г. Омом. Поэтому данный закон называют законом Ома для участка цепи. 8. Пример решения задачи В паспорте амперметра записано, что его сопротивление равно 0,1 Ом. Чему равно напряжение на зажимах амперметра, если он показывает силу тока 5 А? Дано: Я = 0,1 Ом /=5 А и —7 Решение: Согласно закону Ома для участка цепи, сила тока равна / = ^ , откуда и = IR. и = оА- 0,1 Ом = 0,5 В. Ответ: U = 0,5 В. 222 Вопросы для самопроверки 1. Какая зависимость существует между силой тока и напряжением на участке цепи при постоянном сопротивлении? 2. Какую величину называют электрическим сопротивлением проводника? 3. Почему мы называем сопротивление физической величиной? 4. Как можно объяснить, почему проводник обладает сопротивлением? 5. Что принимают за единицу сопротивления проводника? 6. Сопротивление какого проводника равно 1 Ом? 7. Сформулируйте закон Ома для участка цепи. Задание 51 1. Из формулы закона Ома можно выразить сопротивление: i? = у. Будет ли правильным утверждение: «Сопротивление проводника прямо пропорционально напряжению на его концах и обратно пропорционально силе тока в этом проводнике»? 2. При напряжении 1 В сила тока в одном проводнике равна 0,1 А, а в другом — 0,01 А. Какой из проводников обладает большим сопротивлением? Вычислите сопротивление проводников. 3. Сила тока в проводнике 0,6 А при напряжении 42 В. Чему равно сопротивление этого проводника? 4. Пользуясь показаниями приборов, изображённых на рисунке 176, определите сопротивление электрической лампы. 5. Постройте график зависимости силы тока от сопротивления проводника, используя данные эксперимента (см. табл. 31). Трёх точек, безусловно, мало для построения графика, но вспомните из курса математики, как выг.тядит график обратно пропорциональной зависимости. По оси абсцисс откладывайте значения сопротивлений, по оси ординат — значения силы тока. 6. Пользуясь графиком (рис. 177), определите сопротивления проводников 1 и 2. Сделайте вывод о характере зависимости между сопротивлением проводника и углом наклона графика. 223 Лабораторная работа № 8 Измерение сопротивления проводника при помощи вольтметра и амперметра Цель работы: научиться измерять сопротивление проводника при помощи вольтметра и амперметра. Приборы и материалы: батарея из трёх элементов (или аккумуляторов), два проводника, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода. Порядок выполнения работы 1. Начертите схему электрической цепи, которую вы будете собирать. 2. Соберите цепь с одним из проводников, измерьте силу тока и напряжение на нём. 3. Повторите измерения, заменив исследуемый проводник другим. Результаты измерений запишите в таблицу 32 с учётом абсолютной погрешности измерений. 4. Вычислите значения сопротивления проводников и запишите результаты в таблицу 32. Таблица 32 Проводник Сила тока /, А Напряжение и, В Сопротивление R, Ом 1 2 5. Вычислите абсолютную погрешность измерения сопротивления, учитывая, что вы выполняли косвенное измерение. (Правило вычисления погрешности косвенного измерения приведено в лабораторной работе № 2.) 6*. Дополнительное задание. Постройте в одной системе координат график зависи.мости силы тока от напряжения для каждого проводника. 224 § 53. Расчёт сопротивления проводника. Реостаты / Что называют электрическим сопротивлением проводника? 1. Анализируя природу электрического сопротивления, можно высказать предположение, что сопротивление зависит от длины и толщины {площади поперечного сечения) проводника, а также материала, из которого он изготовлен. Проверим на опыте справедливость этой гипотезы. Соберём цепь, изображённую на рисунке 178. На специальной панели закреплены различные проводники. К источнику тока будем по очереди подключать эти проводники и сравнивать значения силы тока, которые покажет в каждом случае демонстрационный амперметр. Будем подключать исследуемые проводники, например, в такой последовательности: 1) никелиновые проволоки одинаковой толщины, но разной длины; 2) никелиновые проволоки одинаковой длины, но разной толщины; 3) никелиновую и нихромовую проволоки одинаковой длины и толщины. Учитывая, что напряжение в цепи постоянно (показания вольтметра не меняются), и отмечая с помощью амперметра значение Рис. 178 225 силы тока в каждом случае, можно убедиться в правильности высказанного предположения. Таким образом мы обнаружим, что сопротивление проводников увеличивается с увеличением их длины и уменьшается при увеличении толпдины проводников; сопротивление никелиновой проволоки меньше, чем такого же размера проволоки из нихрома. Зависимость сопротивления проволочного проводника от его размеров и материала, из которого он изготовлен, впервые исследовал Ом. Он установил, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от материала проводника. Эту зависимость можно записать так: й = р|. где I — длина проводника, S — площадь его поперечного сечения, ар — величина, характеризующая материал, из которого сделан проводник. Эта величина, называемая удельным сопротивлением проводника, равна сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м^. 2. Пользуясь формулой для расчёта сопротивления проводника, можно определить единицу удельного сопротивления: RS Р = —■ Поскольку единица сопротивления 1 Ом, длины 1 м и площади 1 м^, то единицей удельного сопротивления будет: г Т 1 Ом • 1 ^ г\ [р] =--—----- = 1 Ом • м. 1 м Часто площадь поперечного сечения измеряют в мм^, поэтому в справочниках значения удельного сопротивления приводятся таком • ММ^ т-1 же в -------. Будьте внимательны и всегда смотрите на единицу м удельного сопротивления, когда пользуетесь табличными данными. 226 Значения удельных сопротивлений некоторых веществ приведены в таблице 33. Таблица 33 Удельное сопротивление некоторых веществ, 10“® Ом • м Ом • мм^ 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) 1Д Вольфрам 0,055 Графит 13 Железо 0,10 Фарфор 10^9 Свинец Никелин (сплав) 0,21 0,40 Эбонит 1020 Значения удельного сопротивления веществ приведены для температуры 20 °С, так как сопротивление проводников зависит от температуры. При повышении температуры оно возрастает, а при понижении уменьшается. Эту зависимость можно объяснить с помощью молекулярно-кинетической теории строения вещества. При повышении температуры возрастает амплитуда колебаний частиц твёрдого тела, находящихся в узлах кристаллической решётки. Соответственно возрастает сопротивление направленному движению электрических зарядов. 3. Очень часто на практике приходится менять силу тока в цепи, плавно увеличивая или уменьшая её. Вспомните, например, как гаснет свет в театре или кинотеатре, как регулируется громкость звука в радиоприёмнике. Это происходит за счёт изменения силы тока. При пуске электрических двигателей, при выключении сильных токов в различных технических устройствах необходимо постепенно изменять силу тока. Изменить силу тока можно, меняя сопротивление цепи. Приборы, позволяющие плавно регулировать силу тока в цепи, называют реостатами. 4. Продемонстрировать принцип работы реостата можно с помощью обычной проволоки, желательно никелиновой или нихро-мовой, так как они обладают большим удельным сопротивлением. При включении в цепь такой проволоки один контакт (А) неподвижен, а другой (Б) — может перемещаться вдоль проволоки 227 (рис. 179). Амперметр показывает, как меняется сила тока в цепи при перемещении подвижного контакта. Очевидно, что чем больше часть проволоки, включённая в цепь (контакт В передвинут вправо), тем больше сопротивление проволоки и, следовательно, тем меньше сила тока в цепи. На практике применяют самые разнообразные реостаты. Но общее для всех реостатов — это использование длинной проволоки с большим удельным сопротивлением. 5. Рассмотрим подробнее ползунковый реостат, с которым вы будете работать. Его внешний вид изображён на рисунке 180, а, а условное обозначение на схеме — на рисунке 180, б. В этом реостате никелиновая проволока, покрытая тонким слоем окалины, намотана на керамический цилиндр А. Окалина позволяет изолировать витки друг от друга. По расположенному вверху металлическому стержню может перемещаться ползунок В. Контакты ползунка прижаты к виткам обмотки, и в результате трения а) б) Рас. 180 228 слой окалины под контактами стирается. Электрический ток в цепи проходит от витков проволоки к ползунку, а через него — в стержень, на конце которого находится зажим С. Другой зажим D соединён с одним из концов обмотки. Таким образом, ток проходит от одного зажима до другого через витки обмотки, число которых можно менять в зависимости от положения ползунка. На каждом реостате обязательно указывают его максимальное сопротивление и допустимое для его обмотки значение силы тока. 6. Примеры решения задач 1. Длина спирали электронагревателя, изготовленной из нихро-мовой проволоки сечением 0,1 мм^, равна 4 м. Каково сопротивление этой проволоки? Решение'. Сопротивление проводника равно I К= 1,1 Ом • мм 2 4 м м 0,1 мм^ = 44 Ом. Ответ: R = 44 Ом. 2. Рассчитайте силу тока, проходящего по никелиновой проволоке длиной 100 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм^, если к концам проволоки приложено напряжение 220 В. Решение: Согласно закону Ома для участка цепи Сопротивление проводника равно R-Ps- л = 0,4 Ом • мм^ м 100 м 0,5 мм^ = 80 Ом, Ответ: / = 2,75 А. J ^ 220 В = 2 75 А 80 Ом ^ 229 Вопросы для самопроверки 1. Как показать на опыте зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и материала проводника? 2. По какой формуле можно рассчитать сопротивление проводника? 3. Как вы понимаете утверждение о том, что удельное сопротивление меди равно 0,017 Ом м 4. Каково назначение реостата в электрической цепи? 5. Почему в реостатах используют проволоку с большим удельным сопротивлением? 6. Как работает лабораторный ползунковый реостат? 7. Как вы думаете, почему проволока реостата наматывается на керамический цилиндр? Ответ обоснуйте. Задание 52 1. Используя таблицу 33, определите, какой из металлов обладает наибольшим удельным сопротивлением, какой — наименьшим. 2. Как изменится сопротивление металлической проволоки, если её разрезать пополам и половинки свить между собой? 3. Рассчитайте сопротивление медного трамвайного провода длиной 1 км, если площадь его поперечного сечения 0,65 см^. 4. Какой длины надо взять нихромовую проволоку сечением 0,4 мм^, чтобы изготовить из неё спираль для электроплитки сопротивлением 50 Ом? 5. Какой должна быть площадь поперечного сечения никелиновой проволоки для изготовления реостата, рассчитанного на сопротивление 10 Ом при длине проволоки 4 м? 6. Укажите стрелками направление тока, проходящего через ползунковый реостат, включённый в цепь, изображённую на рисунке 181. Как изменится сопротивление цепи, если ползунок реостата сдви- Рис. 181 230 нуть вправо? Изменится ли при этом сила тока в цепи? Что произойдёт со стрелкой амперметра? 7. Определите напряжение на концах железного проводника длиной 120 см и площадью поперечного сечения 0,25 мм^. Сила тока в проводнике 250 мА. Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном приложении задания. Лабораторная работа № 9 Регулирование силы тока в цепи с помощью реостата Цель работы: научиться включать в цепь реостат и регулировать с его помощью силу тока в цепи. Приборы и материалы: лабораторный источник питания, реостат, амперметр, ключ, соединительные провода. Порядок выполнения работы 1. Начертите схему электрической цепи, которую вы будете собирать при выполнении этой работы. 2. Соберите электрическую цепь. 3. Измерьте силу тока I при трёх разных положениях ползунка реостата. 4. Измерьте длину I той части реостата, которая включена в цепь. 5. Запищите результаты измерений в таб.тицу 34 с учётом погрещ-ности измерений. 6. Сделайте вывод. Таблица 34 А? опыта Длина части реостата 1, см Сила тока I, А 1 2 3 231 § 54. Последовательное соединение проводников / Как включают амперметр в электрическую цепь? 1. Примеры последовательного соединения проводников (это могут быть любые электрические установки и приборы) уже были приведены в предыдущ;их параграфах. Так, последовательно соединены на рисунке 156 источник тока, ключ, лампочка и звонок; на рисунке 164 — источник тока, три лампочки и амперметр, а на рисунке 175 — источник тока, ключ, магазин сопротивлений и амперметр. При последовательном соединении конец одного проводника соединяется с началом другого, его конец — с началом третьего и т. д. На практике последовательное соединение нескольких проводников используется, например, в ёлочной гирлянде. Вы наверняка хорошо знаете, что если гирлянда вдруг гаснет, то это значит, что одна из лампочек либо перегорела, либо у неё отошёл контакт. Это ещё раз подтверждает уже известное вам утверждение, что ток при последовательном соединении проходит через все проводники (лампочки) и сила тока во всех частях одна и та же. Стоит нарушить где-то контакт — и ток прекращается во всей цепи. На рисунке 182, а изображена цепь из двух последовательно соединённых лампочек, а на рисунке 182, б — схема такого соединения. а) --Ч б) \ Рис. 182 232 Сила тока в любых участках цепи при последовательном соединении одна и та же: /,=/2 = /. 2. Выясним, чему равно общее сопротивление цепи, если известно сопротивление каждого последовательно соединённого проводника. При соединении проводников последовательно как бы увеличивается общая длина проводника. Общее сопротивление цепи при последовательном соединении проводников равно сумме сопротивлений отдельных проводников: R = R-^ + /?2* Если проводников больше двух, то и слагаемых будет больше двух: их будет столько, сколько проводников соединено последовательно. 3. По закону Ома мы можем рассчитать напряжение на концах отдельных участков цепи: U^=IR^\ U2 = IR2- Поскольку сила тока везде одна и та же, то можно утверждать, что чем больше сопротивление, тем больше напряжение на таком проводнике. Если подключить вольтметр и измерить напряжение сразу на двух проводниках, то оно будет соответственно равно: U = IR = I(R^ + R2) = IRi + IR2, U = U^ + U2. Полное напряжение в цепи при последовательном соединении равно сумме напряжений на отдельных участках цепи. Слагаемых напряжений будет столько же, сколько проводников в цепи. Вопросы для самопроверки 1. Какое соединение проводников называют последовательным? 2. Просмотрите учебник и найдите примеры последовательных соединений. 3. Какая из трёх физических величин — I, U или R — остаётся постоянной для всех проводников, соединённых последовательно? 4. Чему равно общее сопротивление цепи, состоящей из трёх отдельных проводников, при их последовательном соединении? 233 5. Запишите формулу для расчёта напряжения на участке цепи, состоящем из трёх последовательно соединённых проводников. Задание 53 1. Верно ли утверждение о том, что полное напряжение в цепи при последовательном соединении проводников равно напряжению на полюсах источника тока? Ответ обоснуйте. 2. Вычислите общее сопротивление электрической цепи, состоящей из трёх проводников, схема которой приведена на рисунке 183. Н--Н = 4 Ом /?2 “ ? Ом Д, = 15 0м т Q R2 Q \ Рис. 183 Рис. 184 3. Два проводника, сопротивления которых R^ = о кОм и Дз = 1 кОм, соединены последовательно (рис. 184). Сила тока в цепи равна 3 мА. Определите показания вольтметра, включённого между точками А и С. Что будут показывать вольтметры, включённые между точками А и В, В и С? 4. Чему равно напряжение на лампе, если её сопротивление в 2 раза больше сопротивления проводника R? Значение напряжения на концах проводника определите из рисунка 185. 5*. В цепь последовательно включены три проводника сопротивлением = 5 Ом, R2 = S Ом, Дз = 15 Ом (рис. 186). Какую силу тока показывает амперметр и каково напряжение между точками А и Б, если показание вольтметра, подключённого к сопротивлению Д2, равно 1,6 В? А Д1 Д2 ДЗ В 234 Лабораторная работа № 10 Изучение последовательного соединения проводников Цель работы: экспериментально исследовать взаимосвязи между силой тока, напряжением и сопротивлением проводников при их последовательном соединении. Приборы и материалы: лабораторный источник питания, два проводника, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода. Порядок выполнения работы Определите самостоятельно последовательность действий при выполнении данного исследования и составьте план работы. Если вы затрудняетесь, то используйте план, приведённый ниже. 1. Начертите схему электрической цепи, которую вы будете собирать. 2. Соберите электрическую цепь. 3. Измерьте силу тока, включив амперметр сначала между источником тока и одним из проводников /j, затем между источником тока и другим проводником /g, а затем между проводниками I. Запишите в таблицу 35 результаты измерений с учётом абсолютной погрешности измерений. 4. Измерьте напряжение сначала на одном из проводников U^, затем на другом проводнике ® затем на обоих проводниках U. Результаты с учётом абсолютной погрешности измерений запишите в таблицу 35. 5. Вычислите сопротивление первого проводника R^, второго проводника /?2» найдите их сумму; запишите результаты в таблицу 35. 6. Вычислите сопротивление двух проводников R, зная напряжение на них и силу тока в цепи; запишите результат в таблицу 35. 7. Сделайте выводы. Таблица 35 235 § 55. Параллельное соединение проводников / Какое соединение проводников называют последовательным? / По каким формулам определяют силу тока, напряжение и сопротивление при последовательном соединении проводников в цепи? 1. С параллельным соединением проводников вы также уже встречались: так, например, присоединяют вольтметр к проводнику, напряжение на котором измеряют (см. рис. 167). На практике, в быту параллельное соединение встречается чаще, чем последовательное. Почему? Об этом вы скоро узнаете. На рисунке 187, а изображено параллельное соединение двух лампочек, подключённых через ключ к источнику тока. На рисунке 187, б — схема этого соединения. При параллельном соединении все проводники одним- своим концом присоединяются к одной точке цепи (А), а вторым — к другой точке (Б). Поэтому если подключить к этим точкам (А и В) вольтметр, то он покажет напряжение на участке АБ, т. е. и на одной лампе, и на другой. Напряжение на концах всех параллельно соединённых проводников одно и то же: и^ = и^ = и. 2. Если посмотреть внимательно на схему электрической цепи (см. рис. 187, б), то видно, что цепь в точке Б разветвляется. Рис. 187 236 Часть тока идёт в одну лампу, часть — в другую. В точке А оба тока сходятся вновь. При параллельном соединении проводников сила тока в нераз-ветвлённой части цепи равна сумме силы тока в отдельных участках цепи: 1 = 1, + !,. 3. Чему же равно общее сопротивление параллельно соединённых проводников? Если вместо одного проводника взять два параллельно соединённых (свитых вместе или расположенных отдельно друг от друга), то происходит как бы увеличение площади поперечного сечения проводника. В самом деле, у электрического тока, т. е. направленного движения свободных электронов, появляется возможность двигаться более свободно и испытывать меньшее сопротивление со стороны кристаллической решётки. Из этого следует, что общее сопротивление проводников уменьшается и становится меньше сопротивления каждого из проводников, входящих в цепь. Многочисленные опыты подтверждают правильность нашего умозаключения. 4. Если проводники одинаковые, подсчитать общее сопротивление параллельных проводников нетрудно. Так, при соединении двух проводников сопротивлением и при условии Hi общее сопротивление будет в 2 раза меньше: R = — . Если одинаковых проводников несколько (п), то общее сопротивление станет в Hi п раз меньше: Н = — . п Используя закон Ома для участка цепи, можно получить формулу для расчёта общего сопротивления проводников, соединённых параллельно, сопротивления которых различны. и ^2 Учитывая, что I = I ■>+ I2, I = I \ = ^ 12^ ~Б~ ■> получим г1 ri-^ ^2. и и и, R R R. Так как U = U-^^ = U2, 'то i = J_ + J- R Hi Но 237 Если параллельно соединены не два, а большее число проводников, то в формулах для определения обш;ей силы тока и обш;его сопротивления число слагаемых увеличится и будет равно числу проводников. 5. Теперь становится понятным ответ на вопрос: почему параллельное соединение используется чаще, чем последовательное? Прежде всего, все потребители электрической энергии при параллельном соединении работают даже в том случае, если один из них отключается. Цепь остаётся замкнутой, и ток не прерывается. Кроме того, все потребители и устройства могут изготавливаться в расчёте на одинаковое напряжение. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какое соединение проводников называют параллельным? 2. Какая из физических величин — I,U или R — одинакова для всех проводников, соединённых параллельно? 3. Что происходит с током в цепи с параллельным соединением проводников? 4. Запишите формулу для определения общей силы тока в цепи, состоящей из трёх параллельно соединённых проводников. 5. Как вы можете объяснить тот факт, что общее сопротивление параллельно соединённых проводников меньше сопротивления каждого из входящих в это соединение проводников? 6. Запишите формулу для определения общего сопротив.пения параллельно соединённых проводников. Задание 54 в 1. Что произойдёт, если вывернуть одну из лампочек в цепи, изображённой на рисунке 188? 2. В каких точках электрической це- пи — А, В или С — надо поставить ключ (см. рис. 188), чтобы можно было вы- (ЧЛ ^ ключить лампу 3; чтобы горела только лампа!? |____ 3. Два проводника, сопротивления которых Л, = 5 Ом и R2 = S Ом, соединены так, как показано на схеме (рис. 189). Определите показания амперметра, если вольтметр показывает значение напряжения 40 В. Рис. -ч 188 238 R1 R1 4*. Амперметр A (рис. 190) показывает значение силы тока 1,6 А при напряжении 120 В, Сопротивление = 100 Ом. Определите значение сопротивления /Jg показания амперметров А1 и А2. Лабораторная работа №11 Изучение параллельного соединения проводников Цель работы: экспериментально исследовать взаимосвязи между силой тока, напряжением и сопротивлением проводников при их параллельном соединении. Приборы и материалы: лабораторный источник питания, два проводника, амперметр, вольтметр, реостат, ключ, соединительные провода. Порядок выполнения работы Определите самостоятельно последовательность действий при выполнении данного исследования и составьте план работы. Если вы затрудняетесь, то используйте план, приведённый ниже. 1. Начертите схему электрической цепи, состоящую из двух параллельно соединённых проводников. 2. Соберите электрическую цепь. 3. Измерьте силу тока I, проходящего через неразветвлённую часть цепи, а затем силу тока 1^, протекающего через один проводник, и силу тока /g, протекающего через другой проводник. Результаты с учётом абсолютной погрешности измерения запишите в таблицу 36. Таблица 36 /.А /,.А /g,A (/i -f /g), A U,B i?j, Om i?g, Om R. Om 239 4. Измерьте напряжение U на концах проводников, результат с учётом погрешности запишите в таблицу 36. 5. Вычислите сопротивление и каждого проводника, а также общее сопротивление R параллельно соединённых проводников. Данные запишите в таблицу. 6. Вычислите величины, обратные сопротивлениям проводников, и сравните их. 7. Сделайте выводы. § 56. Мощность электрического тока / Что называют мощностью? 1. На многих электрических приборах, технических устройствах или в инструкциях к ним указывается ещё одна характеристика потребителей электрической энергии — мощность. Например, мощность лампы накаливания может быть 40 Вт, 60 Вт, 100 Вт и т. д.; мощность домашней кофемолки — 120 Вт, а электрического утюга — примерно 1000 Вт; мощность же электродвигателей, как правило, очень большая — несколько тысяч киловатт и т. д. При этом имеют в виду мощность электрического тока, проходящего через тот или иной прибор. От каких характеристик электрических цепей зависит мощность электрического тока? С понятием мощности электрического тока вы уже встречались, когда вводилось понятие напряжения. Вспомните, что напряжение на участке цепи определялось как отношение мощности к силе тока. Поэтому можно сказать, что мощность электрического тока равна произведению напряжения на силу тока в цепи: P = UI. Единица мощности, как вам известно, ватт (1 Вт). Пользуясь формулой мощности электрического тока, её единицу можно выразить через электрические единицы — ампер и вольт. [Р] = 1 Вт = 1 В • А. 2. Измерив силу тока и напряжение с помощью амперметра и вольтметра (рис. 191), можно определить значение мощности электрического тока в проводнике (или потребителе). Вообще говоря, используя закон Ома, определить мощность также можно, измерив силу тока и сопротивление либо сопротивление и напряжение. Удобнее, однако, измерять силу тока и напряжение. 240 r<5> © Рис. 191 Для измерения мощности электрического тока существует и специальный прибор — ваттметр. В ваттметре объединены два прибора — амперметр и вольтметр. 3*. Поясним теперь, что имеют в виду, говоря о мощности какого-либо электрического прибора. Например, мощность электроутюга 1000 Вт. Это означает, что при полностью включённом регуляторе температуры утюга (утюг максимально разогревается) мощность электрического тока, проходящего через него, 1000 Вт. Известно, что утюг включается в сеть напряжением 220 В. Для того чтобы он работал с необходимой мощностью, при изготовлении утюга подбирают соответствующее сопротивление. Используя формулу мощности и закон Ома для участка цепи, можно вычислить значение этого сопротивления: Р = Ш = - и= — у откудаR = Искомое сопротивление равно R = = 48,4 Ом. 1000 Вт Именно при таком сопротивлении максимальная мощность электрического тока в утюге будет равна 1000 Вт. 4. Пример решения задачи Нихромовая спираль электроплитки длиной 10 м и площадью поперечного сечения 0,25 мм^ включена в сеть напряжением 220 В. Найдите мощность тока в спирали. Дано: / = Юм S = 0,25 мм^ П= 220 В 1 1 Ом р = 1Д — ММ" м р —? Ответ: Р = 1100 Вт. Решение: Мощность электрического тока равна Г/2 р = /с/=^, сопротивление проводника it = р - . i?= 1,1 Ом ММ" м 10 м 0,1 мм^ = 44 Ом, Р= = 1100 Вт. 44 Ом 241 Вопросы для самопроверки 1. Что такое мощность электрического тока? 2. По какой формуле можно рассчитать мощность электрического тока? 3. Какова единица мощности электрического тока? 4. С помощью каких приборов можно измерить мощность? Задание 55 1 1. Запищите формулы для расчёта мощное- = 4,5 В t/g = 6 В ти, в которые входят: а) сила тока и сопротивление; б) напряжение и сопротивление. 2. В каком случае мощность электрического тока больще: при силе тока 1,5 А и напряжении 12 В или при силе тока 600 мА и напряжении 0,5 кВ? 3. В какой из ламп, изображённых на схемах рисунка 192, сила тока больще? Какая из них имеет больщее сопротивление? 4. Рассчитайте мощность тока в электро- двигателе, используя показания приборов, изображённых на рисунке 193. Как изменится мощность при перемещении ползун- ^92 ка реостата вправо? 5. В электрические цепи, изображённые на рисунке 194, включены одинаковые лампы, но в первой цепи — последовательно, а во второй — параллельно. При каком соединении этих ламп мощность тока в них будет больше? Напряжение на источнике тока в обеих цепях одинаково. ^8^ Р, = 12 Вт ^8^ Ро = 12Вт 1) 6В 2) 6В Рис. 194 242 Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном \^/ приложении задания. § 57. Работа электрического тока. Закон Джоуля—Ленца / От каких физических величин зависит механическая работа? / Что характеризует КПД двигателя? / Как проявляется тепловое действие электрического тока? 1. Рассматривая примеры действия электрического тока (теплового, магнитного, химического), мы под действиями понимали различные результаты работы электрического тока. Нагревание металлического проводника, притяжение металлических предметов, поворот рамки с током и т. д. — всё это примеры работы электрического тока. Во всех этих случаях энергия одного вида (энергия электрического поля или электрическая энергия) превращалась в энергию другого вида (внутреннюю, механическую и т. д.). 2. Понятие работы, как и мощности, было уже введено в механике. Как можно рассчитать работу электрического тока, используя электрические величины? Поскольку работа равна мощности, умноженной на время, в течение которого совершается эта работа, т. е. А = Pf, то формулу для работы электрического тока можно записать так: A=UIt. Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка, силы тока и времени, в течение которого совершается работа. Единицей работы, как вы знаете, является джоуль (1 Дж). Эту единицу можно выразить через электрические единицы: [А] = 1 Дж =1Вт* 1с==1В*А*с. В практике работу часто выражают не в джоулях, а в других единицах: ватт-час (1 Вт • ч), киловатт-час (1 кВт • ч). 3. Для измерения работы электрического тока можно воспользоваться тремя приборами: амперметром, вольтметром и часа- 243 ми. Но в реальной жизни для измерения работы электрического тока пользуются специальными приборами — счётчиками электрической энергии. 4. Прохождение электрического тока по проводнику всегда сопровождается нагреванием проводника. Нагревание происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах или ионы в проводящих ток растворах сталкиваются с молекулами или атомами проводника и отдают им свою энергию. Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника. В неподвижных металлических проводниках, как показывают опыты, вся работа тока идёт на увеличение внутренней энергии. Проводники при этом нагреваются. Следовательно, количество теплоты, выделяющееся в проводнике, равно работе тока: Q = A или Q = UIt. 5. Очевидно, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике, должно зависеть от сопротивления проводника. Чем больше сопротивление, тем «труднее» двигаться зарядам в проводнике, тем большая часть электрической энергии будет превращаться во внутреннюю энергию. Поэтому, пользуясь законом Ома, преобразуем формулу Q = Ult. Так как U = /Л, то получим: Q = IRIt или Q = I^Rt. Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. Эта зависимость впервые была обнаружена экспериментально одновременно двумя учёными: английским учёным Джеймсом Джоулем (1818—1889) и русским учёным Эмилием Кристиановичем Ленцем (1804—1865). Поэтому данный закон называют законом Джоуля—Ленца. 6. Пример решения задачи Определите, какую работу совершает электродвигатель за 8 ч работы, если сила тока в цепи электродвигателя 6 А, а напряжение на его клеммах 220 В. Известно, что КПД двигателя 60% . 244 Дано'. t = 84 1 = 6 А и =220 В Л = 60% СИ 28 800 с Решение: Работа, совершаемая двигателем, Ад — это полезная работа тока; она составляет 60% от полной работы. Полная работа тока равна: А = lUt. А„ КПД двигателя: Л * Ю0%. _ Следовательно, полезная работа двигателя: А = ' . ^ 100% А = 6 А • 220 В • 28 800 с = 38 016 000 Дж ~ 38 000 000 Дж, 22 800 000 Дж = 22 800 кДж. . _ 38 000 000 Дж • 60% д 100% Ответ: Ад = 22 800 кДж. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Как можно выразить работу через такие физические величины, как мощность и время? 2. Какова формула для расчёта работы тока, содержащая только электрические величины? 3. С помощью каких приборов можно измерить работу, соверщаемую электрическим током? 4. Как можно объяснить нагревание проводников электрическим током? Почему количество теплоты, выделяющееся в проводнике, тем больше, чем больше сила тока и сопротивление проводника? 5. Приведите примеры устройств, в которых используется нагревание проводников электрическим током. 6. Сформулируйте закон Джоуля—Ленца. Задание 56 1. Докажите, что 1 Вт • ч = 3600 Дж. 2. Мощность электропылесоса 0,6 кВт. Вычислите работу, совершаемую электрическим током в течение 30 мин. 3. Радиоприёмник включён в сеть напряжением 220 В. Сила тока в цепи 0,4 А. Сколько электроэнергии (в кВт • ч) расходуется за 3 ч работы приёмника? 4. В течение недели в одно и то же время суток записывайте показания счётчика в вашем доме. Начертите график расхода электроэнергии в течение недели. Подсчитайте стоимость израсходованной электроэнергии, предварительно узнав у учителя стоимость 1 кВт • ч электроэнергии. 245 5. Реостат сопротивлением 100 Ом полностью введён в цепь, сила тока в которой 3 А. Какое количество теплоты выделится в реостате в течение 10 мин? 6. Две проволоки, медная и железная, равной длины и одинаковой площади поперечного сечения включены в цепь источника тока. В какой проволоке выделится бо.тьшее количество теплоты, если они соединены: а) последовательно; б) параллельно? Ответы обоснуйте. 7*. В электрическом чайнике при напряжении 220 В и силе тока 6 А за 20 мин нагре.тось 4 кг воды от 20 до 80 °С. Определите КПД этого чайника. Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенные в электронном приложении задания и тест № 7. Лабораторная работа № 12 Измерение работы и мощности электрического тока Цель работы: научиться измерять работу и мощность электрического тока. Приборы и материалы: лабораторный источник питания, низковольтная лампочка на подставке, вольтметр, амперметр, к.тюч, соединительные провода, секундомер (или часы с секундной стрелкой). Порядок выполнения работы 1. Начертите схему электрической цепи, которую вам нужно собрать. 2. Соберите электрическую цепь. 3. Измерьте силу тока и напряжение на лампочке. 4. Вычислите мощность тока в лампе. 5. Измерьте время горения лампы в вашем опыте. 6. Вычислите работу тока в лампе. Запишите результаты всех измерений в таблицу 37 с учётом абсолютной погрешности измерений. Таблица 37 Сила тока 1,А Напряжение и. В Мощность Р, Вт Время t, с Работа А, Дж 7. Сделайте вывод. 8. Дополнительное задание. Рассчитайте стоимость электроэнергии, израсходованной вами во время выполнения лабораторной работы. (Стоимость 1 кВт • ч вам назовёт учитель.) 246 Темы докладов и проектов 1. Современные источники электрической энергии. 2. Составление таблицы мощностей бытовой техники. 3. Исследование электрической проводимости электролита. J Основное в главе 1. Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. 2. Действия электрического тока (табл. 38). Таблица 38 Название Проявление Применение Тепловое Нагревание проводников Обогревательные приборы, освещение Магнитное Возникает вокруг проводников с током Электромагниты, электродвигатели Химическое Проявляется при протекании тока через жидкие проводники Получение чистых металлов, хромирование, серебрение 3. Основные величины (табл. 39). Таблица 39 Величина Обозна- чение Единица Прибор для измерения Включение в цепь Сила тока Ампер- метр <2> последовательное Напря- жение и В Вольтметр параллельное 247 Окончание табл. 39 Величина Обозна- чение Единица Прибор для измерения Включение в цепь Сопро- тивление R Ом Мощ- ность тока Р Вт Ваттметр Работа тока А Дж Счётчик электри- ческой энергии 4. Основные законы: закон Ома: / = ^ ; ы закон Джоуля—Ленца: Q = 5. Соединения проводников (табл. 40). Таблица 40 Последовательное Парал.аелъное н / 1^ R1 f- R2 и = и^ + и., R = Ri + 1 = 1,+I2 u = u, = u^ R R, R. 248 Электромагнитные явления В данной главе вы познакомитесь с магнитными и электромагнитными явлениями. Они тесно связаны с уже известными вам явлениями и процессами, обусловленными движением электрических зарядов, т. е. электрическим током. Как вам известно, покоящиеся электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Движущиеся заряды создают кроме электрического и магнитное поле. Особенности проявления магнитного поля, его свойства и характеристики будут рассматриваться в этой главе учебника. § 58. Постоянные магниты / Что такое магнит? / Какие свойства магнита вы знаете? 1. История открытия магнитных свойств веществ, так же как и электрических, уходит в глубь веков. Ещё за 600 лет до н. э. древние греки знали, что магнит притягивает к себе железо (так же как знали и о том, что натёртый о шерсть янтарь притягивает лёгкие предметы). Впервые свойства магнитных материалов использовали в Китае: именно там был сконструирован первый компас. На- 249 а) б) Рис. 195 чиная с XII в. магнитные компасы стали использоваться и в Европе. На рисунке 195, а изображён современный компас, с устройством которого вы все хорошо знакомы, а на рисунке 195, б — компас, изготовленный в XIII в. Этот компас представлял собой диск из магнитного железняка (его называли раньше «путевым камнем»), на котором указаны стороны света. Диск устанавливался на деревянной подушечке и плавал в воде. 2. Тела, способные длительное время сохранять свойство притягивать железо или его сплавы, т. е. намагниченность, называют постоянными магнитами или просто магнитами. Магниты могут иметь разнообразные форму и размеры. На рисунке 196 изображены полосовой и подковообразный магниты. Принято различать естественные и искусственные магниты. Естественные магниты представляют собой некоторые железные руды (например, магнитный железняк), которые обладают способностью притягивать к себе находягциеся поблизости небольшие железные предметы (рис. 197) и оказывают влияние на компас. Рис. 196 250 Рис. 198 Рис. 199 Кусок железа или его сплава можно намагнитить, т. е. сделать его искусственным магнитом. Для этого металл нужно достаточно близко поднести к магниту. Такой кусок металла приобретёт магнитные свойства и будет притягивать к себе другие железные предметы. Однако после удаления магнита он может потерять свои магнитные свойства. Так, поднеся к железному гвоздю магнит (рис. 198), можно наблюдать, как гвоздь притянет к себе металлические опилки. Но стоит убрать магнит, и большая часть опилок опадёт. 3. Выясним, одинаковы ли свойства магнита в разных его точках. Проделаем для этого следующий опыт. Возьмём полосовой магнит и будем дотрагиваться до него железным шариком, закреплённым на динамометре (рис. 199). По показаниям динамометра в момент отрыва шарика от магнита можно судить о силе притяжения шарика к какой-либо точке магнита. Можно заметить, что наибольшее значение силы динамометр покажет, когда шарик будет находиться у концов магнита. Следовательно, притяжение шарика к концам магнита самое сильное, а к середине магнита он практически не притягивается. Те места магнита, в которых магнитное действие проявляется наиболее сильно, называют магнитными полюсами. У всякого магнита есть два полюса: северный N и южный S. Красным цветом принято окрашивать южный полюс магнита, синим — северный. Получить магнит с одним полюсом невозможно. Если полосовой магнит разделить на две равные части, то каждая из них окажется магнитом с двумя полюсами. 251 а) 4. Магнитная стрелка является маленьким постоянным магнитом. Если подвесить магнитную стрелку на нити (рис. 200, а) или укрепить на острие (рис. 200, б), позволяя ей свободно вращаться, то магнитная стрелка всегда будет устанавливаться так, что её северный полюс повернётся в направлении Северного географического полюса Земли, а южный полюс — в направлении Южного географического полюса Земли. Аналогично будет вести себя и полосовой магнит (рис. 200, в). Магнитные стрелки используют для обнаружения магнитных свойств любых веществ. Если поднести к магнитной стрелке полосовой магнит (рис. 201), то можно заметить, что северный полюс стрелки будет притягиваться к южному полюсу магнита и отталкиваться от его северного полюса. Южный полюс стрелки будет отталкиваться от южного полюса магнита и притягиваться к его северному полюсу. Так же взаимодействуют две магнитные стрелки между собой: они повернутся и установятся друг против друга противоположными полюсами (рис. 202). Таким образом, можно сделать вывод, что магниты притягиваются разноимёнными полюсами, а отталкиваются — одноимёнными. Рис. 201 252 Вопросы для самопроверки 1. Какие тела называют постоянными магнитами? 2. В чём различие между естественными и искусственными магнитами? 3. Как можно намагнитить кусок железа? 4. Что называют полюсами магнита? 5. Как взаимодействуют между собой магниты? 6. Как с помощью магнитной стрелки можно определить полюсы полосового магнита, на котором стёрлась краска? § 59. Магнитное поле / Какое взаимодействие называют электрическим? / Как осуществляется электрическое взаимодействие? 1. Взаимодействие магнитов можно объяснить, если предположить, что аналогично электрическому магнитное взаимодействие осуществляется посредством поля. Подобно тому как вокруг каждого электрического заряда существует электрическое поле, вокруг каждого магнита имеется магнитное поле. Убедимся в существовании магнитного поля, для чего воспользуемся маленькими магнитными стрелками. Расположим их вокруг полосового магнита. Стрелки мгновенно придут в движение и расположатся в строго определённом порядке (рис. 203). Это означает, что магнитное поле, существующее вокруг магнита, подействовало с определённой силой на магнитные стрелки и совершило работу. Следовательно, подобно электрическому полю, магнитное поле оказывает определённое действие на другие тела (в данном случае магниты). Действие магнитного поля и является подтверждением его существования. Рис. 203 253 Рис. 204 2. Изменим несколько опыт и вместо магнитных стрелок будем использовать железные опилки, которые вблизи магнита намагничиваются и становятся маленькими магнитиками. Насыплем железные опилки на лист бумаги и положим его на магнит. Слегка встряхнём лист бумаги. Опилки расположатся в виде цепочек (рис. 204). Можно заметить, что опилки располагаются с разной плотностью вокруг полосового магнита. Это говорит о том, что действия, которые оказывает магнит на опилки, в разных точках поля различны. Наиболее сильно это действие проявляется возле полюсов магнита. Чем дальше от полюсов, тем слабее подобное действие, следовательно, тем слабее магнитное поле. 3. Вы знаете, что силовое действие электрического поля характеризуется физической величиной, называемой напряжённостью. Аналогично можно ввести силовую характеристику и для магнитного поля. Такую физическую величину называют магнитной индукцией и обозначают буквой В. Как и напряжённость электрического поля, магнитная индукция является векторной величиной. Направление магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки в этой точке. Магнитная индукция имеет наибольшее значение у полюсов магнита, которое уменьшается при удалении от них. Магнитная индукция определяет действие магнитного поля на помещённые в него тела. 4. Магнитное поле можно изобразить графически с помощью линий магнитной индукции. Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются магнитные стрелки, называют линиями магнитной индукции. Линии магнитной индукции магнитного поля, так же как и линии напряжённости электрического поля, — это модель. Цепочки, которые образуют в магнитном поле магнитные стрелки или железные опилки, показывают форму линий магнитной индукции. Принято считать, что направление линий магнитной индукции в каждой точке совпадает с направлением, которое указы- 254 вает северный полюс магнитной в стрелки, помещённой в эту точку поля. Вектор магнитной индукции В направлен по касательной к каждой точке линии магнитной индукции. Линии магнитной индукции магнита выходят из его северного полюса и входят в южный. Внутри же магнита линии магнитной индукции продолжаются и обязательно замыкаются (рис. 205). Линии магнитной индукции всегда замкнуты. Они не имеют ни начала, ни конца. В этом их принципиальное отличие от линий напряжённости электрического поля, которые начинаются и заканчиваются на зарядах. То, что линии магнитной индукции замкнуты, означает, что в природе не существует магнитных зарядов. По густоте линий магнитной индукции можно судить о значении магнитной индукции: чем гуще расположены линии, тем сильнее магнитное поле, тем больше магнитная индукция. 5. С помощью железных опилок можно получить картину магнитных полей, созданных различными магнитами. На рисунке 206, а показано магнитное поле, созданное двумя полосовыми магнитами, обращёнными друг к другу одноимёнными полюсами, а на рисунке 206, б — двумя магнитами, обращёнными друг к другу 'М _■ У- 255 * / ✓ /_ \ % \ " 1 # - ■ ~ -% 1 — 1 |-_~ ^ -Г \-^ 1—~ 1^—- 1' -гг' ’'I'l ' >'' ^ // I Рис. 207 разноимёнными полюсами. Картина магнитного поля подковообразного магнита представлена на рисунке 207. В некоторых случаях можно создать магнитное поле, в любой точке которого магнитная индукция имеет одно и то же значение. Такое поле называют однородным магнитным полем. Линии магнитной индукции в нём параллельны друг другу и располагаются с одинаковой густотой. Однородным, например, можно считать магнитное поле между полюсами подковообразного магнита (см. рис. 207). Магнитные поля, .линии индукции которых перпендикулярны плоскости чертежа, принято изображать в виде системы точек или крестиков. Если представить вектор магнитной индукции в виде стрелы (рис. 208), то линии индукции магнитного поля, направленные из-за чертежа на нас, будут изображаться точками (мы видим острия стрел, летящих на нас). Линии индукции магнитного поля, направленные от нас за чертёж, изображают крестиками (мы видим хвостовое оперение стрел, летящих от нас). X > Рис. 208 Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Как можно доказать существование магнитного поля? 2. Как располагаются магнитные стрелки или железные опилки в магнитном поле? 3. Что характеризует физическая величина, называемая магнитной индукцией? 4. Какое направление принято за направление линий магнитной индукции? 5*. Что означает утверждение: линии магнитной индукции — это модель? Ответ поясните. 6. В чём сходство и различие электрического и магнитного полей? 7. Какое поле называют однородным магнитным полем? Задание 57 1. к магнитной стрелке поднесли полосовой магнит. Она расположилась так, как показано на рисунке 209. Каким полюсом полосовой магнит обращён к стрелке? 256 т Рис. 210 2. Левым концом лезвия бритвы прикоснулись к северному полюсу магнита (рис. 210). Будут ли после этого обладать магнитными свойствами оба конца лезвия? 3. На рисунке 211 показаны линии магнитной индукции магнитного поля, созданного двумя постоянными магнитами. Определите полюс левого магнита и укажите направление линий магнитной индукции в каждом случае. Рис. 212 ■ >т S N S 4. Полосовой магнит разделили на три части (рис. 212). Будут ли обладать магнитными свойствами концы А и Б? 5. На рисунке 213 показаны линии магнитной индукции однородного магнитного поля. Где находится северный полюс магнита — перед чертежом или за ним? Работа с компьютером X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Рис. 213 Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении задание. Лабораторная работа №13 Изучение магнитного поля постоянных магнитов Цель работы: изучить свойства постоянных магнитов и получить картину их магнитных полей. 257 Приборы и материалы: два полосовых магнита, подковообразный магнит, коробочка-сито с железными опилками, небольшие железные гвоздики, магнитная стрелка, лист плотной белой бумаги. Порядок выполнения работы 1. Установите, как взаимодействуют между собой полюса полосовых магнитов (одноимённые и разноимённые). Запишите вывод в тетрадь. 2. Определите, в каких частях магнита магнитное действие проявляется наиболее сильно. Воспользуйтесь для этого небольшими железными гвоздиками и проделайте два опыта. а) Возьмите один гвоздик и, приставляя его к разным частям магнита, исследуйте действие на него полосового и подковообразного магнитов. б) Затем, держа горизонтально полосовой магнит, приставьте к концу магнита гвоздик, к первому гвоздику — второй и т. д. Определите, цепочку из скольких гвоздиков может выдержать магнит. Повторите опыт, поместив первый гвоздик ближе к середине магнита. Сделайте вывод и запишите результаты всех наблюдений. 3. Положите на стол полосовой магнит, а сверху на него — лист плотной белой бумаги. Насыпьте из коробочки-сита железные опилки, слегка постучите по листу и рассмотрите картину расположения опилок. Повторите опыт с двумя магнитами. Получите картину магнитных полей, созданных двумя разноимёнными полюсами и двумя одноимёнными полюсами. Ещё одну картину получите, используя подковообразный магнит. Зарисуйте в тетради картины магнитных полей и покажите на них направление линий магнитной индукции в каждом случае. 4. Расположите магниты в той же последовательности, как в п. 3, и, используя магнитную стрелку, убедитесь в правильности сделанных вами рисунков. § 60. Магнитное поле Земли / Какое взаимодействие называют магнитным? 1. Чем объясняется тот факт, что магнитная стрелка всегда устанавливается в строго определённом направлении? Почему один её конец ориентирован на север, а другой — на юг? Это связано с существованием магнитного поля Земли. В магнитном поле Земли магнитная стрелка устанавливается вдоль линий магнитной индукции этого поля. Объяснение причин существования магнитного поля Земли до сих пор остаётся до конца не разгаданным. 258 Рис. 214 Очень упрощённо магнитное поле Земли можно представить в виде гигантского полосового магнита, расположенного между Северным и Южным географическими полюсами. Южный конец этого магнита находится около Северного географического полюса Земли, а северный — вблизи её Южного географического полюса (рис. 214). Многочисленные наблюдения показали, что географические и магнитные полюсы не совпадают. Положение магнитных полюсов Земли непрерывно меняется. Так, южный магнитный полюс, по данным 2005 г., находится на 82° северной широты и 114° западной долготы. Северный же магнитный полюс, по данным 2007 г., расположен на 64° южной широты и 138° восточной долготы. Сразу же обращает на себя внимание тот факт, что магнитная ось (линия, соединяющая северный и южный магнитные полюсы) не совпадает с географической осью и не проходит через центр Земли. Более того, положение магнитных полюсов Земли непрерывно меняется, но очень медленно. Если же представить изменение магнитного поля Земли в рамках геологической истории (а это миллионы лет), то за этот период магнитные полюсы Земли не только сдвигались, но и много раз меняли свою полярность (северный магнитный полюс становился южным и наоборот). 2. В связи с тем что направление магнитной оси не совпадает с направлением географической, магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает направление на географические север и юг. На земном шаре существуют области, в которых стрелка компаса очень сильно отклоняется от направления линии индукции магнитного поля Земли. Такие области называют областями магнитной аномалии. Причиной таких аномалий в большинстве случаев являются залежи железной руды в недрах Земли. Поэтому изучение магнитной аномалии даёт информацию о наличии и расположении руды. Одной из крупнейших магнитных аномалий в нашей стране является Курская магнитная аномалия. 3. Магнитное поле Земли на 90% обусловлено её внутренним строением. Однако существенное влияние на магнитное поле 259 Земли оказывают процессы, происходящие в околоземном пространстве, и прежде всего на Солнце. С поверхности Солнца в мировое пространство выбрасываются потоки заряженных частиц. Особенно мощные потоки частиц рождаются при взрывных явлениях на Солнце, т. е. в период усиления солнечной активности. Магнитное поле, созданное этими частицами, вызывает кратковременные изменения магнитного поля Земли. Возникают так называемые магнитные бури. Наблюдения показали, что магнитные бури сильно влияют на всё живое на Земле, в том числе и на человека. 4. Изучение магнитного поля Земли имеет чрезвычайно важное научное и практическое значение. Полёты искусственных спутников и космических кораблей открыли новые возможности для изучения магнитного поля Земли. Было, в частности, установлено, что земное магнитное поле в значительной степени препятствует проникновению в атмосферу Земли космического излучения, воздействие которого на клетки живого организма вызывает мутации. Это приводит как к позитивному, так и к негативному изменению и развитию клетки. Если предположить, что магнитное поле Земли исчезло, то одновременно с ним исчезнет и всё живое. Магнитное поле есть не у всех планет Солнечной системы. Помимо Земли оно обнаружено лишь у Юпитера и Сатурна. Отсутствует магнитное поле и у Луны. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какие факты свидетельствуют о том, что вокруг Земли существует магнитное поле? 2. Где находятся магнитные полюсы Земли? 3. Являются ли положения магнитных полюсов Земли постоянными? 4. Что такое области магнитных аномалий? 5. Чем объясняется появление магнитных бурь? 6. Почему изучение магнитного поля Земли имеет огромное научное и практическое значение? § 61. Магнитное поле электрического тока / Что называют постоянным магнитом? ✓ Что вам известно о магнитном поле? 1. Вы уже знаете, что магнитное поле существует вокруг любого постоянного магнита. Однако постоянный магнит — не единственный источник магнитного поля. 260 Рассмотрим рисунок 215, на котором изображён опыт, поставленный датским учёным Хансом Кристианом Эрстедом (1777— 1851) в 1820 г. Установка состоит из магнитной стрелки, которая может свободно вращаться, и проводника, соединённого с источником тока. До включения тока стрелка располагается в магнитном поле Земли, ориентируясь с севера на юг. Проводник располагают параллельно магнитной стрелке. При замыкании цепи стрелка поворачивается на 90° и устанавливается перпендикулярно проводнику с током. При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в своё начальное положение. Это означает, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом подобно тому, как взаимодействуют постоянный магнит и магнитная стрелка. Следовательно, вокруг проводника с электрическим током суи^ествует магнитное поле, которое и совершает работу по повороту магнитной стрелки. 2. Опыт Эрстеда вызвал необычайный интерес у физиков того времени. Раньше электрические и магнитные явления рассматривались как совершенно независимые. Открытие Эрстеда обнаружило взаимосвязь между этими явлениями. Было установлено, что суи^ествование магнитных полей связано с движением электрических зарядов. Это открытие послужило началом новых исследований. Многочисленные опыты подтвердили, что во всех случаях при движении заряженных частиц обязательно появляется магнитное поле, независимо от рода проводника или среды, в которой частицы движутся. Неподвижные электрическР1е заряды порождают только электрическое поле, оно не действует на магнитную стрелку. Вокруг движущихся зарядов, т. е. электрического тока, существует и электрическое, и магнитное поле. 261 3. Для того чтобы обнаружить магнитное поле вокруг проводника с током, воспользуемся тем же способом, которым мы пользовались для обнаружения магнитного поля постоянного магнита. Сквозь лист картона пропустим проводник, соединённый с источником тока. Насыплем на картон тонкий слой железных опилок. При включении тока железные опилки под действием магнитного поля переориентируются и расположатся по концентрическим окружностям (рис. 216). Цепочки, которые образуют в магнитном поле железные опилки, как вы уже знаете, показывают форму линий магнитной индукции. Эти линии, как и в случае с постоянными магнитами, замкнуты. Несколько изменим опыт: вместо металлических опилок поставим на лист картона магнитные стрелки. При замыкании электрической цепи стрелки расположатся вдоль линий магнитной индукции (рис. 217, а). Если же изменить направление тока в проводнике, то все стрелки повернутся на 180° (рис. 217, б). На рисунке 218 показано расположение магнитных стрелок вокруг проводника с током, имеющего форму витка. Как и в предыдущем опыте, стрелки в магнитном поле расположатся вдоль линий магнитной индукции, но ориентированы они будут по-разному, поскольку в левой части рисунка ток «выходит» из листа, а в правой — «входит» в него. Таким образом, линии магнитной индукции магнитного поля имеют определённое направление, которое связано с направлением тока в проводнике. 262 Рис, 219 4. Для определения направления линий магнитной индукции поля, созданного проводником с током, пользуются правилом буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции. На рисунке 219 показано направление тока в проводнике, а также направление линий магнитной индукции. 5. Большой практический интерес представляет магнитное поле катушки с током. На рисунке 220 показана картина магнитного поля катушки с током, полученная с помощью железных опилок. Внутри катушки линии магнитной индукции параллельны друг другу, а на концах расходятся и замыкаются вне катушки. Подобная картина аналогична расположению линий магнитной индукции поля полосового магнита (см. рис. 204). Если подвесить катушку с током на тонких и гибких проводниках и дать ей возможность свободно вращаться, то она установится так, что один её конец будет обращён на север, другой — на юг (рис. 221). Следовательно, катушка с током подобна магниту. Если поменять направление тока в катушке, то она повернётся на 180°. Это сви- Рис. 220 Рис. 221 263 Рис. 222 детельствует о том, что направление линий индукции магнитного поля катушки связано с направлением тока в проводнике (как и во всех предыдущих опытах). 6. Для определения направления линий магнитной индукции магнитного поля, возникающего в катушке с током, можно также воспользоваться правилом буравчика, сформулировав его так: если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в катушке, то направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции внутри катушки. На рисунке 222 линии магнитной индукции, совпадающие с направлением поступательного движения острия буравчика, выходят из правой части катушки с током. Следовательно, справа у катушки с током северный полюс, а слева — южный. 7. Взаимосвязь магнитных полей и движущихся электрических зарядов впервые попытался объяснить Ампер. Он предположил, что внутри каждой молекулы вещества, подобного железу или его сплавам, циркулируют электрические токи. Вокруг этих токов существуют магнитные поля, которые и приводят к возникновению магнитных свойств вещества. Гипотеза Ампера была очень прогрессивна для начала XIX в., поскольку ещё не было известно ни о строении атома, ни о движении заряженных частиц — электронов вокруг ядра. Современная теория магнетизма подтвердила правильность предположения Ампера. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Опишите опыт Эрстеда. В чём, по вашему мнению, заключается роль этого опыта с точки зрения научного познания? 2. Какое поле существует вокруг неподвижного заряда; вокруг движущегося заряда? 3. Какие опыты могут подтвердить существование магнитного поля вокруг проводника с током? 264 4. Как на опыте показать, что направление линий магнитной индукции связано с направлением тока в проводнике? 5. Сформулируйте правило буравчика. 6. Как показать, что магнитное поле катушки с током подобно магнитному полю полосового магнита? 7. Что следует сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные? 8. В чём состоит гипотеза Ампера? Задание 58 1. Как можно узнать, замкнута ли цепь, содержащая проводник, не пользуясь амперметром? 2. Каким полюсом повернётся к вам магнитная стрелка, если ток в проводнике направлен от А к В (рис. 223)? 3. Определите полюсы магнитного поля катушки, включённой в цепь, как показано на рисунке 224. А В Рис. 223 Рис. 224 Рис. 225 4. При замыкании электрической цепи северный полюс магнитной стрелки повернулся, как показано на рисунке 225. Определите, какие знаки («-Ь» или «-») должны стоять возле каждой клеммы источника тока (стрелкой показана навивка провода катушки). 5д. Придумайте и выполните опыт, который показал бы, что вокруг покоящихся электрических зарядов не существует магнитного поля. Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении задание. 265 § 62. Применение магнитов / Как можно создать магнитное поле? / Как обнаружить существование магнитного поля? 1. Магнитное поле постоянного магнита остаётся неизменным, магнитное поле катушки с током можно изменять. Если увеличить силу тока в проводнике, то индукция магнитного поля тока также увеличится. Чтобы обнаружить такую зависимость, достаточно включить в цепь реостат, как показано на рисунке 226, и с его помош;ью изменять силу тока в катушке. При увеличении силы тока катушка притянет больше железных опилок. Действие магнитного поля катушки с током можно усилить во много раз (иногда во много тысяч раз), поместив внутрь катушки железный сердечник (рис. 227). Катушку с железным сердечником внутри называют электромагнитом. 2. Электромагниты, благодаря возможности регулировать их магнитное действие, широко применяются в технике и в научных исследованиях. Например, электромагниты используют для подъёма и переноски тяжёлых стальных или чугунных изделий, для извлечения чёрных (содержаш;их железистые компоненты) металлов на свалках металлического лома (рис. 228). Электромагниты подъёмного крана обладают огромной мопдностью. Во многих технических устройствах, таких как телефон, телеграф, электроизмерительные приборы, также применяются электромагниты. Епдё недавно казалось, что поезд на магнитной «подушке» — это дело отдалённого будущего. Сегодня такие поезда построены, в Китае и 266 Обмотка электромагнита Управляющий рельс Электро- магнит Статорная обмотка Реактивный рельс (ротор) Рис. 228 Рис. 229 Японии они уже находятся в эксплуатации. Поезд (рис. 229) не имеет колёс, а «плывёт» над длинной магнитной полосой, заменяющей рельсы. Под магнитной полосой расположены мощные электромагниты, создающие необходимое магнитное поле. Электрический ток подаётся в эти электромагниты таким образом, что они ведут себя как двигатель, перемещающий поезд вдоль пути. Поезда на магнитной подушке не испытывают трения, не загрязняют атмосферу и практически бесшумны. 3. Постоянные магниты также широко используют в промышленности, в быту и в медицине. Например, в современных точильных машинах, чтобы удержать металлическую деталь, применяют постоянные магниты, а не тиски, которые могут повредить заготовку. В своём доме вы наверняка сможете найти магнитную защёлку в холодильнике или в дверце шкафа. Защёлка представляет собой металлические магниты, закреплённые в пластиковом чехле на раме. Эти магниты притягиваются к металлической пластине на двери и прочно удерживают её в закрытом положении. В медицине постоянные магниты используют, например, в диагностике. При проведении обследования в организм человека вводится специальная «пилюля», движением которой можно управлять, манипулируя магнитом, находящимся снаружи. «Пилюля» представляет собой миниатюрный радиопередатчик с металличе- 267 ским наконечником, с помощью которого можно получить информацию о таких факторах, как температура или содержание соли в крови. 4. Постоянные магниты и электромагниты иногда используют вместе. Например, на железных дорогах в целях большей безопасности применяют системы, в которых магниты и электромагниты дополняют друг друга. На определённом расстоянии от светофора к рельсу вплотную прикрепляют сильный постоянный магнит. Когда поезд проходит над магнитом, в кабине машиниста поворачивается полосовой магнит и включает звуковой сигнал. Через несколько секунд кабина проходит над электромагнитом, связанным со светофором. Если на светофоре горит зелёный свет, то в цепи электромагнита течёт ток. Магнитное поле электромагнита возвращает в начальное положение постоянный магнит в кабине. Когда же на светофоре горит красный или жёлтый свет, электромагнит выключен. Сразу же автоматически включается тормозная система, которая, как и звуковой сигнал, соединена с постоянным магнитом. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Как можно изменить магнитное поле катушки с током? 2. Что называют электромагнитом? 3. Приведите примеры использования электромагнитов в промышленности. 4. Приведите примеры использования постоянных магнитов. 5. Назовите имеюшиеся у вас дома приборы или технические устройства, в которых применяется постоянный магнит или электромагнит. Задание 59 1. На рисунке 230 показана схема электромагнитного реле, с помощью которого включается цепь высокого напряжения. Реле под- Рис. 230 268 ключают к маломощному источнику тока. На схеме цифрами обозначено: 1 — электромагнит; 2 — якорь; 3 — контакты цепи высокого напряжения; 4 — пружина; 5 — электродвигатель; 6 — источник тока высокого напряжения. Объясните принцип действия реле. Из какого материала должен быть изготовлен якорь 2, притягивающийся к электромагниту 1 ? 2. Объясните принцип действия магнитного сепаратора для зерна, показанного в разрезе на рисунке 231. Цифрами на рисунке обозначено: 1 — смесь семян с магнитным порошком; 2 — вращающийся барабан; 3 — электромагнит; 4 — семена с гладкой поверхностью; 5 — семена с шероховатой поверхностью (сорняки). Рис. 231 Лабораторная работа № 14 Сборка электромагнита и его испытание Цель работы: научиться собирать электромагнит из готовых деталей и изучить принцип его действия. Приборы и материалы: лабораторный источник питания, реостат, ключ, соединительные провода, магнитная стрелка, детали для сборки электромагнита, железный гвоздь. Порядок выполнения работы 1. Соберите электрическую цепь, состоящую из источника тока, катушки электромагнита без сердечника, ключа и соединительных проводов. Замкните цепь и при помощи магнитной стрелки определите полюсы катушки. Начертите схему электрической цепи и укажите направления тока в ней, 2. Медленно отодвигая магнитную стрелку от катушки вдоль её оси, наблюдайте за отклонением стрелки от начального положения. Сделайте вывод. 3. Установите магнитную стрелку на таком расстоянии от катушки, чтобы магнитное поле почти не действовало на неё. Вставьте в катушку железный сердечник и пронаблюдайте действие электромагнита на стрелку. Сделайте вывод. 269 4. С помощью реостата изменяйте силу тока в цепи и наблюдайте за отклонением магнитной стрелки. Сделайте вывод. 5. Из готовых деталей соберите электромагнит. Катушки соедините между собой последовательно так, чтобы на их свободных концах получились разноимённые полюсы. С помощью магнитной стрелки установите расположение полюсов электромагнита. Начертите схему электромагнита и покажите на ней направление тока в катушках электромагнита. 6. Поместите железный гвоздь под полюсами электромагнита и, замыкая и размыкая цепь, наблюдайте за работой электромагнита. § 63. Действие магнитного поля на проводник с током / Что характеризует магнитная индукция? 1. Вы уже знаете, что магнитные поля, созданные постоянными магнитами или токами, действуют на помещённые в поле магнитные стрелки (или железные опилки). Но магнитные свойства постоянных магнитов, в соответствии с гипотезой Ампера, в свою очередь, обусловлены токами, циркулирующими в частицах, из которых состоит вещество этих магнитов. Таким образом, можно предположить, что в основе всех магнитных взаимодействий лежит действие магнитного поля на электрический ток. Рассмотрим более подробно действие магнитного поля на проводник с током и попытаемся подтвердить или опровергнуть высказанное предположение. 2. Соберём установку, со-_ \ |L стоящую из источника тока, клю- ча, реостата и проводника, как по-^ ^ казано на рисунке 232. Проводник подвесим на тонких проводах и поместим в магнитное поле, созданное подковообразным магнитом. При отсутствии тока в проводнике провода будут расположены вертикально. При замыкании цепи про-Рис. 232 водник отклонится от первона- 270 чального положения влево. Если же поменять направление тока в цепи, то проводник отклонится в противоположную сторону. Следовательно, магнитное поле действует на проводник с током с некоторой силой. 3. Выясним, от чего зависит сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Увеличивая с помощью реостата силу тока в цепи (см. рис. 232), можно заметить увеличение силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник. Это будет проявляться в больщем отклонении проводника от первоначального положения. Многочисленные эксперименты учёных показали, что сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока в цепи: F-I. Если теперь подковообразный магнит заменить на более мощный, то сила, действующая на проводник с током, также увеличится. Более строгие и точные эксперименты показали, что сила, действующая на проводник с током, прямо пропорциональна магнитной индукции поля: F-B. Магнитное поле действует только на ту часть проводника, которая расположена в магнитном поле. Если в несколько раз увеличить длину участка проводника, находящегося в магнитном поле, то во столько же раз увеличится и сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник. Следовательно, чем больше длина I проводника с током, тем больше сила, действуюи^ая на него: F~l. Таким образом, если направление тока в проводнике перпендикулярно линиям магнитной индукции, то сила, с которой магнитное поле действует на помещённый в него проводник с током, равна произведению магнитной индукции, силы тока и длины проводника. F = ВП. В этом состоит закон Ампера. Он был установлен в 1820 г. Ампером. 271 Силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называют силой Ампера. 4. Для определения направления силы Ампера используют правило левой руки: если левую руку расположить так, что линии магнитной индукции входят в ладонь, а четыре пальца направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы (рис. 233). 5. Измерив силу, действующую на проводник с током, силу тока в проводнике и его длину, можно определить модуль вектора магнитной индукции и единицу измерения. В самом деле, поскольку для каждого конкретного однородного поля сила F, действующая на проводник длиной I, по которому течёт ток силой I, зависит только от самого магнитного по-F ля, то отношение — можно принять за характеристику магнитного поля. Магнитная индукция В равна отношению силы F, с которой магнитное поле действует на расположенный перпендикулярно магнитным линиям проводник с током, к произведению силы тока I и длины проводника I. Рис. 233 R- ^ Единица магнитной индукции в СИ названа тесла (1 Тл) в честь югославского учёного-электротехника Николы Тесла (1856— 1943). 1Тл = 1 Н 1 А • 1 м = 1 Н м За единицу магнитной индукции принимают магнитную индукцию однородного поля, в котором на проводник длиной 1 м при силе тока в нём 1 А действует со стороны магнитного поля сила 1 Н. 272 6. пример решения задачи Чему равна сила тока, протекающего в прямолинейном проводнике длиной 50 см, если проводник расположен в однородном магнитном поле с индукцией 4 • Тл перпендикулярно линиям магнитной индукции? Сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, равна 0,25 Н. Дано: / = 50 см 5=4. 10-2 Тл F = 0,25H 1 — 1 СИ 0,5 м Решение: Согласно закону Ампера при условии взаимно перпендикулярного расположения проводника с током и вектора магнитной индукции F = BII. 1 = Ответ: I = 12,5 А. 0,25 Н 4*10-2 Тл*0,5м = 12,5 А. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. Какой опыт позволяет обнаружить действие магнитного поля на проводник с током? 2. От каких физических величин зависит сила, действующая на проводник с током в магнитном поле? 3. В чём состоит закон Ампера? 4. Как определить направление силы Ампера? 5. Чему равна магнитная индукция? 6. Какова единица магнитной индукции? Задание 60 1. Определите направление силы Ампера в каждом случае (рис. 234). а) X X б) N в) Рис. 234 273 2. На рисунках для обозначения направления тока в проводнике, который расположен перпендикулярно плоскости чертежа, показывают сечение проводника и ставят точку, если ток направлен на нас, или крестик — если ток направлен от нас. Составьте задачу для каждого из представленных на рисунке 235 случаев и решите её. N а) ДА N б) в) Рис. 235 3. Чему равна магнитная индукция магнитного поля, в котором на проводник длиной 2 см действует сила 100 мН, если сила тока в проводнике 20 А? Проводник с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции. 4. Определите силу, с которой магнитное поле с индукцией 2 Тл действует на проводник с током длиной 20 см. Сила тока в проводнике 1 А. Проводник с током и линии индукции магнитного поля взаимно перпендикулярны. 5. При введении единицы силы тока используется опыт Ампера по взаимодействию проводников с током (см. рис. 158). Объясните причину такого поведения проводников с током. Работа с компьютером ® Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении задание. Лабораторная работа № 15 Изучение действия магнитного поля на проводник с током Цель работы: исследовать зависимость направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, от направления тока в нём и от направления вектора магнитной индукции. Приборы и материалы: лабораторный источник питания, реостат, ключ, соединительные провода, подковообразный магнит, штатив, катушка-моток. 274 Порядок выполнения работы 1. Соберите электрическую цепь, состоящую из источника тока, реостата, ключа и катушки-мотка. Подвесьте катушку-моток к штативу (рис. 236). 2. Поднесите один из полюсов подковообразного магнита к катушке и, замыкая и размыкая ключ, пронаблюдайте движение катушки-мотка. 3. Повторите опыт, поднося к катушке другой полюс магнита. Сделайте вывод. 4. Измените направление тока в цепи и повторите опыт, поднося к катушке-мотку магнит разными полюсами. Пронаблюдайте движение катушки и сделайте вывод. § 64. Электродвигатель / Вспомните закон Ампера. / Как определить направление силы, действующей на помещённый в магнитное поле проводник с током? 1. Механическое движение проводника с током в магнитном поле имеет огромное практическое значение. Более полутора столетий назад, в 1834 г., русский учёный Борис Семёнович Якоби (1801 —1874) впервые сконструировал электрический двигатель постоянного тока, пригодный для практических целей. Принцип работы этого двигателя основан на действии магнитного поля на проводник с током. Четыре года спустя электродвигатель Якоби уже использовался для приведения в движение гребного вала суд- 275 Рис. 237 на, а к 70-м гг. XIX в. электродвигатель был уже настолько усовершенствован, что в таком виде сохранился до наших дней. С момента изобретения двигателя постоянного тока началась новая эпоха развития промышленности. 2. Чтобы понять принцип работы электродвигателя, проделаем опыт. Между полюсами магнита поместим прямоугольную рамку, состояш;ую из нескольких витков проволоки, которая может свободно враш;аться вокруг вертикальной оси. При отсутствии электрического тока в рамке она располагается произвольным образом. Если плоскость рамки параллельна линиям магнитной индукции магнитного поля (рис. 237, а), то при пропускании по ней тока рамка начнёт поворачиваться. Это произойдёт потому, что на каждую из сторон рамки, перпендикулярную линиям магнитной индукции, действует сила Ампера. Направление силы зависит от направления тока. Обе силы поворачивают рамку в одну сторону, в данном случае против хода часовой стрелки. Когда плоскость рамки будет перпендикулярна линиям магнитной индукции (рис. 237, б), рамка остановится. Чтобы этого не произошло и она продолжала вращаться в том же направлении, необходимо поменять направление тока в цепи. Для этого используют специальные металлические полукольца 1, прикреплённые к рамке (рис. 238). По полукольцам скользят контактные пластины 2, соединённые с источником тока. При повороте рамки на 180° меняется контактная пластина, которой касается полукольцо, и, следовательно, меняется направление тока в рамке. Таким образом, направление тока в цепи изменяется, и рамка всё время вращается в одном направлении. 3. Существуют различные конструкции электродвигателей. Наиболее распространённым является так называемый кол- 276 Рис. 238 лекторный электродвигатель., содержащий три основных узла: статор, ротор и коллектор (рис. 239). Статор 1 (в переводе с латинского — «стоящий неподвижно») представляет собой либо постоянный магнит, либо электромагнит, который служит для создания магнитного поля. Ротор 2 (в переводе с латинского — «вращающийся») представляет собой сердечник, на который наматывается обмотка. Часто ротор называют якорем двигателя. На оси ротора закрепляют медные коллекторные пластины 3, к которым припаиваются выводы обмотки ротора. Две угольные щётки 4 с помощью специальных пружин плотно прижимаются к коллекторным пластинам. К щёткам от источника тока подводится напряжение, питающее обмотку ротора. При прохождении электрического тока по обмотке ротора он под действием силы Ампера приходит во вращение. Вращательное движение ротора передаётся валу, на который он насажен, а от него — различным механизмам. 4. Электродвигатели обладают целым рядом преимуществ по сравнению с тепловыми двигателями, которые работают за счёт энергии сжигаемого топлива. Прежде всего, электродвигатели экологически целесообразны: они не загрязняют атмосферу, им не нужен запас топлива и т. д. Последние годы ведутся работы по замене в автомобилях двигателей внутреннего сгорания на электрические. Есть надежда, что города нашей планеты скоро избавятся от выхлопных газов. Кроме того, современные электродвигатели можно изготовить любой мощности: от нескольких ватт, как, например, в бытовых домашних приборах, до сотен и тысяч киловатт в промышленном производстве. При одинаковой мощности электрические двигатели имеют существенно меньшие размеры, чем тепловые. И наконец, коэффициент полезного действия электрических двигателей гораздо выше, чем тепловых. КПД мощных электродвигателей достигает 98% , что невозможно ни для какого другого двигателя. Рис. 239 277 Рис. 240 Электродвигатели, используемые сегодня в промышленности, работают в основном на переменном токе. Но и двигатели постоянного тока достаточно широко используются, особенно на транспорте. Электропоезда, трамваи, троллейбусы работают на постоянном токе (рис. 240). Микроэлектродвигатели постоянного тока широко применяют в системах автоматического регулирования, в бытовых приборах — электробритвах, кофемолках и т. д. Мощные электродвигатели используются главным образом для приведения в действие прокатных станов, подъёмных кранов и пр. Вопросы ДЛЯ самопроверки 1. На каком физическом явлении основано действие электрического двигателя? 2. Объясните, почему вращается рамка с током, помещённая в магнитное поле. 3. Каковы преимущества электрических двигателей по сравнению с тепловыми? 4. Где используются электрические двигатели постоянного тока? Работа с компьютером Изучите материал урока и выполните предложенное в электронном приложении тест № 8. Лабораторная работа № 16 Изучение работы электродвигателя постоянного тока Цель работы: познакомиться на модели электродвигателя постоянного тока с его устройством и работой. 278 Приборы и материалы: модель электродвигателя, лабораторный источник питания, реостат, ключ, соединительные провода. Порядок выполнения работы 1. Рассмотрите основные детали модели электродвигателя постоянного тока. 2. Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника тока, модели электродвигателя, ключа и реостата, соединённых последовательно. Соберите электрическую цепь, 3. Замкните цепь. С помощью реостата регулируйте силу тока в цепи. Наблюдая за работой электродвигателя, сделайте вывод о зависимости скорости вращения его якоря от силы тока в цепи. Темы докладов и проектов 1. Конструирование электромагнитных приборов. 2. Применение электромагнитных приборов в медицине. 3. Эксперименты с магнитной жидкостью. mt Основное в главе 1. Основным понятием данной главы является понятие «магнитное поле». Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами) и обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды). 2. Основные понятия и величины (табл. 41). Таблица 41 Название Обозна- чение Формула Еди- ница Основные особенности Магнитные полюсы N — северный, S — южный Магниты разноимёнными полюсами притягиваются, а одноимёнными — отталкиваются ■ЮГ' 279 Окончание табл. 41 Название Магнитная индукция Обозна- чение В Формула R- ^ Еди- ница Тл Основные особенности Силовая характеристика магнитного пол% аналогичная вектору Е напряжённости электрического поля Линии магнитной индукции Линии магнитной индукции всегда замкнуты Сила Ампера F = BIl 3. Фундаментальные опыты (табл. 42). Таблица 42 Опыт Физическое содержание Схема опыта Эрстеда Вокруг проводника с током существует магнитное поле Ампера Взаимодействие проводников с током я "'Г г А. М.- 280 4. Взаимосвязь между физическими величинами, характеризующими электрические и магнитные явления, устанавливается следующими правилами (табл. 43). Таблица 43 Правило Определение Пример Бурав- чика Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции; если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в катушке, то направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции внутри катущки Левой руки Если левую руку расположить так, что линии магнитной индукции входят в ладонь, а четыре пальца направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы Ответы к заданиям Дж кг . 6. 0,2 кг. Задание 2. 4. 8,9 • 10'^ г. Задание 8. 4. 10^ Па. 5. 515 кПа; 1030 кН. 6. 2,7 Н. Задание 9. 2. 27,2 см. 3. Воды в 1,25 раза. Задание 10.1. 200 кг. 2. 4 см^; 25 Дж; 0,03 м. Задание 11.6. ~ 16 кПа; ~ 11 кПа. 6. 1,5 • 10^ Н. 7. ~ 773 кН. Задание 12.1. 0,4 Н; 0,32 Н. 3. 2 • 10~^ м^. 6*. 1000 м\ Задание 13. 2. 1,5 • 10^ Н; 7,8 кг. 3. Да. Задание 14. 2. 600 т. 3. Нет. 5. 6520 Н. Задание 16. 2. 2 Н. 3. 0,4 м. Задание 1 7. 3. 290 К. 4. 309 К. 5. 20 °С. Задание 19. 4*. 600 Дж. 5*. 2,4 Дж. Задание 23. 3.1680 кДж. 4. 62 500 кДж. 5. 250 Задание 24.1. 5 кг. 2. 0,1 кг. Задание 25.1. 2,7 • 10® Дж. 2. 3 кг. 3. 250 кг. 4*. 35 г. Задание 26. 3. 200 Дж. 4. 2 м. Задание 27. 5. 7,8 • 10® Дж. 6. 5,25 • 10® Дж. Задание 29. 5. 2,3 • 10^ Дж. 6. 44,7 кДж. Задание 30. 2. ~ 52% . 3. Да. Задание 31. 2. 1,5 • 10® Па. 4. 300 К. 7. 1,2 • 10® Па. Задание 32. 4*. 29,4 °С. 7*. 520 м®. Задание 33. 4. 40%. 5. 33% . Задание 34.4. 20%. Задание 35. 3. 33%; 25% . Задание 40. 4*. 6,4 • 10-2 н. Задание 47. 5. 0,4 А. 6*. 5,63 • 10^^ электронов. Задание 49. 2. 44 Вт. 3. 110 В. Задание 51. 2. Второй; 10 Ом; 100 Ом. 3.70 Ом. 6. 2,5 Ом; 7,5 Ом. Задание 52. 2. Уменьшится в 2 раза. 3.0,26 Ом. 5. 0,16 мм2. Задание 53. 2. 26 Ом. 3. 18 В; 15 В; 3 В. 4. 4,4 В. 5*. 0,2 А; 5,6 В. Задание 54. 3. ~ 21 А. 4*. 300 Ом; 1,2 А; 0,4 А. Задание 55. 3.> I2', Ri < R-z’ 4.2,72 Вт; мощность уменьшится. 5. Pi